사이리스터

사이리스터

사이리스터
유형	활동적인
제1회 생산	1956
핀 구성	양극, 게이트 및 음극
전자 기호

사이리스터(/aaɪrststər/)는 고출력 ^{[1]: 12} 응용에 사용되는 P형 및 N형 교대로 이루어진 4층의 반도체 소자이다.이 ^{[1]: 12} 스위치는 쌍안정 스위치로만 작동하며 게이트가 전류 트리거를 수신할 때 전도하고 장치 전체의 전압이 역방향으로 전환될 때까지 또는 전압이 제거될 때까지(다른 수단으로)^{[1]: 12} 계속 전도합니다.전도 상태를 트리거하는 요인이 다른 두 가지 설계가 있습니다.3리드 사이리스터에서는 게이트 리드의 작은 전류가 양극에서 음극으로 가는 경로의 큰 전류를 제어합니다.2-리드 사이리스터에서는 양극과 음극 자체의 전위차가 충분히 클 때(브레이크다운 전압) 전도가 시작됩니다.

일부 소스는 실리콘 제어 정류기(SCR)와 사이리스터를 ^[2]동의어로 정의합니다.다른 소스에서는 사이리스터를 적어도 4층의 N형 및 P형 기판을 교대로 하는 보다 복잡한 디바이스로 정의하고 있다.

최초의 사이리스터 장치는 1956년에 상업적으로 출시되었습니다.사이리스터는 소형 소자로 비교적 많은 양의 전력과 전압을 제어할 수 있기 때문에 광다이머와 전기모터 속도 제어부터 고전압 직류 송전까지 전력 제어에 폭넓게 활용되고 있다.사이리스터는 전원 스위칭 회로, 릴레이 교체 회로, 인버터 회로, 발진기 회로, 레벨 검출기 회로, 초퍼 회로, 조광 회로, 저비용 타이머 회로, 논리 회로, 속도 제어 회로, 위상 제어 회로 등에 사용할 수 있습니다.원래 사이리스터는 전류 반전에만 의존하여 전원을 끄므로 직류를 적용하기 어려웠습니다. 제어 게이트 신호를 통해 새로운 장치 유형을 켜고 끌 수 있습니다.후자는 게이트 끄기 사이리스터 또는 GTO 사이리스터로 알려져 있습니다.트랜지스터와 달리 사이리스터는 2값 스위칭 특성을 가지고 있습니다.즉, 사이리스터는 완전히 켜지거나 꺼질 수 있는 반면 트랜지스터는 켜지거나 꺼질 수 있습니다.따라서 사이리스터는 아날로그 앰프로는 적합하지 않지만 스위치로는 유용합니다.

서론

사이리스터는 예를 들어 P-N-P-N과 같은 N형 또는 P형 재료를 번갈아 사용하는 4층 3단 반도체 장치입니다.양극과 음극으로 표시된 주 단자는 4개 층 모두에 걸쳐 있습니다.게이트라고 불리는 제어 단자는 음극 근처의 p형 재료에 부착됩니다.(SCS(실리콘 제어 스위치)라고 불리는 변형은 4개의 레이어를 모두 단말기에 제공합니다).사이리스터의 작동은 자체 래칭 동작을 일으키도록 배열된 한 쌍의 긴밀하게 결합된 양극성 접합 트랜지스터로 이해할 수 있습니다.

물리적 및 전자적 수준의 구조와 사이리스터 기호.

사이리스터에는 다음 3가지 상태가 있습니다.

1. 역방향 차단 모드 – 다이오드에 의해 차단되는 방향으로 전압이 인가됩니다.
2. 전방 차단 모드 – 다이오드가 전도되는 방향으로 전압이 인가되지만 사이리스터가 전도 상태로 트리거되지 않았습니다.
3. 전진 전도 모드 – 사이리스터가 전도 상태로 트리거되었으며 전진 전류가 "유지 전류"로 알려진 임계값 아래로 떨어질 때까지 전도 상태를 유지합니다.

게이트 단자의 기능

사이리스터에는 3개의 p-n 접합부가 있습니다(아노드에서 연속적으로₁₂ J, J, J₃).

게이트에 전압이 인가되지 않은 상태에서 양극이 음극에 대해 양의 전위_AK V에 있는 경우 접합부₁ J와₃ J는 정방향 바이어스인 반면₂ 접합부 J는 역방향 바이어스입니다.J는 역바이어스이므로 전도₂(Off 상태)는 발생하지 않습니다.이제 V가 사이리스터의 파괴 전압_BO V 이상으로 증가하면_AK J의₂ 눈사태 파괴가 발생하고 사이리스터가 전도(On)를 시작합니다.

게이트 단자에 음극에 대해 양의 전위_G V가 인가되면 접점₂ J의 파괴는 V의 낮은_AK 값으로 발생한다.적절한 값_G V를 선택하는 것으로, 사이리스터를 신속히 온 상태로 전환할 수 있다.

눈사태 파괴가 발생하면 사이리스터는 게이트 전압에 관계없이 (a) 전위_AK V가 제거되거나 (b) 장치(아노드-음극)를 통과하는 전류가 제조업체가 지정한 유지 전류보다 작아질 때까지 계속 전도한다.따라서_G V는 UJT 완화 오실레이터에서 출력되는 전압과 같은 전압 펄스가 될 수 있습니다.

게이트 펄스는 게이트 트리거 전압(V_GT) 및 게이트 트리거 전류(I_GT)의 측면에서 특징지어집니다.게이트 트리거 전류는 사이리스터를 트리거하는 데 필요한 최소 게이트 전하가 분명히 있을 수 있도록 게이트 펄스 폭과 반대로 변화합니다.

스위칭 특성

종래의 사이리스터에서는, 일단 게이트 단자에 의해서 온이 되면, 양극 전류가 래치 전류(I_L)를 넘으면, 디바이스는 온 상태로 유지된다(즉, 게이트 전류의 연속적인 공급이 필요 없음).양극이 양의 바이어스를 유지하는 한 전류가 유지 전류(I_H) 아래로 떨어지지 않는 한 양극을 끌 수 없습니다.정상 작동 조건에서 래치 전류는 항상 유지 전류보다 큽니다.위 그림에서는_L I > I이므로_LH Y축의 I 위에_H 있어야 합니다.

외부회로에 의해 양극이 음의 바이어스 상태가 되면 사이리스터를 끌 수 있습니다(자연 또는 라인 정류로 알려진 방법).일부 어플리케이션에서는 이는 두 번째 사이리스터를 전환하여 첫 번째 사이리스터의 양극으로 캐패시터를 방전함으로써 이루어집니다.이 방법을 강제 정류라고 합니다.

사이리스터를 통과하는 전류가 유지 전류 아래로 떨어지면 양극이 확실하게 바이어스되어 사이리스터를 오프 상태로 유지하려면 지연이 있어야 합니다.이 최소 지연을 회로 정류 끄기 시간(t_Q)이라고 합니다.이 시간 내에 양극을 긍정적으로 바이어스하려고 하면 사이리스터가 아직 재결합되지 않은 나머지 전하 캐리어(홀 및 전자)에 의해 자동으로 트리거됩니다.

가정용 AC 주전원 공급 장치(예: 50Hz 또는 60Hz)보다 높은 주파수를 사용하는 애플리케이션의 경우 t 값이 낮은_Q 사이리스터가 필요합니다.이러한 고속 사이리스터는 전하 결합 중심 역할을 하는 금이나 백금과 같은 중금속 이온을 실리콘에 확산시킴으로써 만들 수 있습니다.오늘날 고속 사이리스터는 일반적으로 실리콘의 전자 또는 양성자 조사 또는 이온 주입에 의해 만들어집니다.조사는 실리콘 처리의 꽤 늦은 단계에서도 미세한 단계에서 용량을 조절할 수 있기 때문에 중금속 도핑보다 더 다용도적이다.

역사

1950년 William Shockley가 제안하고 Moll 등이 Bell Labs에서 옹호한 실리콘 제어 정류기(SCR) 또는 사이리스터는 Gordon Hall이 이끄는 G.E.의 전력 엔지니어에 의해 1956년 개발되었으며 G.E.의 Frank W. Gutzwiller에 의해 상용화되었습니다.전기전자공학협회는 뉴욕 클라이드 소재 발명 현장에 명판을 설치하고 IEEE 역사적 이정표로 선포함으로써 이 발명을 인정했다.

어원학

티라트론이라 불리는 이전의 가스 충전 튜브 장치는 작은 제어 전압으로 큰 전류를 전환할 수 있는 유사한 전자 전환 기능을 제공했습니다."THYRatron"과 "trans"를 조합한 것입니다."사이리스터"라는 용어가 ^{[3][1]: 12} 파생된 ISTOR.

적용들

사이리스터는 주로 고전류 및 전압이 관여하는 경우에 사용되며, 전류의 극성 변화로 인해 장치가 자동으로 꺼지는 교류 전류를 제어하는 데 자주 사용됩니다. 이를 "제로 크로스" 작동이라고 합니다.장치는 동기적으로 작동한다고 할 수 있습니다. 장치가 트리거되면 음극에서 양극 접합부로 인가되는 전압으로 위상 전류를 전도하므로 추가적인 게이트 변조가 필요하지 않습니다. 즉, 장치가 완전히 바이어스됩니다.출력은 단방향이며 음극에서 양극으로만 흐르기 때문에 비대칭 동작과 혼동해서는 안 됩니다.

사이리스터는 위상각 트리거 컨트롤러(위상 연소식 컨트롤러라고도 함)의 제어 요소로 사용할 수 있습니다.

디지털 회선용 전원 장치에도 있습니다.전원 장치의 장애가 다운스트림 컴포넌트를 손상시키지 않도록 하기 위한 일종의 "확장 회로 차단기"로 사용됩니다.사이리스터는 게이트에 연결된 제너 다이오드와 함께 사용되며, 공급기의 출력 전압이 제너 전압보다 높아지면 사이리스터는 전원 공급기 출력을 접지 측으로 전달하고 단락시킵니다(일반적으로 업스트림 브레이커 또는 퓨즈를 트립합니다).이런 종류의 보호회로는 지렛대라고 불리며, 표준 회로 브레이커 또는 퓨즈보다 장점이 있습니다.이는 전원전압을 손상시키고 잠재적으로 전력공급되는 시스템에 저장된 에너지를 위해 접지에 대한 높은 전도성 경로를 생성하기 때문입니다.

1970년대 ^{[clarification needed]}초 컬러 텔레비전 수신기 내의 안정화된 전원 공급과 관련된 소비자 제품에 관련된 트리거링 diac과 함께 사이리스터를 처음으로 대규모로 적용했다.리시버에 대한 안정화 고전압 DC 공급은 사이리스터 장치의 전환점을 AC 공급 입력의 절반으로 가는 양의 하강 기울기를 위아래로 이동함으로써 얻어진 것입니다(상승 기울기를 사용하면 장치가 트리거될 때 출력 전압이 항상 피크 입력 전압 쪽으로 상승하여 손실됩니다).e 규정의 목적).정확한 스위칭 포인트는 DC 출력 전원 부하 및 AC 입력 변동에 의해 결정됩니다.

사이리스터는 수십 년 동안 텔레비전, 영화, 극장에서 조광기로 사용되어 왔으며, 오토트랜스나 레오드탯과 같은 열악 기술을 대체했다.그것들은 또한 사진촬영에서 섬광(스트로브)의 중요한 부분으로 사용되어 왔다.

스너버 회로

사이리스터는 높은 상승률의 오프상태 전압에 의해 트리거될 수 있습니다.사이리스터의 양극과 음극에 걸쳐 오프 상태 전압을 높이면 캐패시터의 충전 전류와 유사한 전하 흐름이 발생합니다.오프스테이트 전압의 최대 상승률 또는 사이리스터의 dV/dt 정격은 게이트 신호가 적용되지 않을 때 사이리스터를 전도시키지 않는 양극 전압의 최대 상승률을 나타내기 때문에 중요한 파라미터입니다.사이리스터의 양극과 음극에 걸친 오프상태 전압의 상승률로 인한 전하 흐름이 게이트 통전 시 주입된 전하 흐름과 같아지면 ^[4]바람직하지 않은 사이리스터의 무작위 및 잘못된 트리거링으로 이어집니다.

이는 dV/dt(즉, 시간에 따른 전압 변화 속도)를 제한하기 위해 양극과 음극 사이에 저항 캐패시터(RC) 스너버 회로를 연결함으로써 방지됩니다.스너버는 스위치(전기 또는 기계)가 열렸을 때 회로의 인덕턴스에 의해 발생하는 전압 스파이크를 억제하기 위해 사용되는 에너지 흡수 회로입니다.가장 일반적인 스너버 회로는 스위치(트랜지스터)를 통해 직렬로 연결된 캐패시터와 저항입니다.

HVDC 송전

최신 사이리스터는 메가와트 규모로 전력을 전환할 수 있기 때문에 사이리스터 밸브는 교류로 또는 교류에서 고전압 직류(HVDC) 변환의 심장부가 되었습니다.이러한 애플리케이션 및 기타 매우 고출력 애플리케이션 ^{[1]: 12} 영역에서는 여전히 전기 트리거(ETT)와 라이트 트리거(LTT) 사이리스터가^[5][6] 주요 선택입니다.사이리스터는 다이오드 브리지 회로에 배치되어 고조파를 줄이기 위해 직렬로 연결되어 12펄스 컨버터를 형성합니다.각 사이리스터는 탈이온수로 냉각되며 전체 배열은 4중 밸브라고 불리는 다층 밸브 스택에서 층을 형성하는 여러 개의 동일한 모듈 중 하나가 된다.이러한 3개의 스택은 일반적으로 장거리 전송 ^[7][8]설비의 밸브 홀 천장에 설치되거나 매달립니다.

다른 디바이스와의 비교

트라이악

사이리스터의 기능적인 단점은 다이오드처럼 한 방향으로만 전도하기 때문에 AC 전류로는 안전하게 사용할 수 없다는 것입니다.TRIAC라고 불리는 유사한 자기잠금식 5층 디바이스는 양방향으로 동작할 수 있습니다.그러나 이 추가된 기능은 부족할 수도 있습니다.TRIAC는 양방향으로 전도할 수 있으므로 AC 전원 사이클의 제로 전압 인스턴스 중에 무효 부하로 인해 꺼지지 않을 수 있습니다.따라서 (예를 들어) 유도성이 높은 모터 부하와 함께 TRIAC를 사용할 경우 주 전원을 반주기마다 끌 수 있도록 TRIAC 주위에 "스너버" 회로를 사용해야 합니다.Triac 대신 역병렬 SCR을 사용할 수도 있습니다.쌍의 각 SCR에는 반전 극성의 반사이클 전체가 적용되기 때문에 TRIAC와 달리 SCR은 반드시 꺼집니다.그러나 이 약정에 대해 지불해야 할 "가격"은 두 개의 분리된, 그러나 본질적으로 동일한 게이트 회로의 복잡성이 가중된 것입니다.

전원 MOSFET 및 IGBT

사이리스터는 AC에서 DC로의 메가와트 규모의 정류에 많이 사용되지만, 중저전력(수십 와트에서 수 십 킬로와트) 애플리케이션에서는 Power MOSFET 또는 IGBT와 같은 우수한 스위칭 특성을 가진 다른 장치로 사실상 대체되었습니다.SCR과 관련된 주요 문제 중 하나는 SCR이 완전히 제어 가능한 스위치가 아니라는 것입니다.GTO 사이리스터와 IGCT는 사이리스터와 관련된2개의 디바이스로 이 문제에 대처하고 있습니다.고주파 어플리케이션에서는 바이폴라 전도에 의해 발생하는 긴 스위칭 시간으로 인해 사이리스터는 후보가 되지 않습니다.한편, MOSFET는 단극 전도(대부분의 캐리어만이 전류를 운반)하기 때문에 스위칭 기능이 훨씬 빠릅니다.

장애 모드

사이리스터 제조업체는 일반적으로 주어진 작동 온도에 대해 허용 가능한 전압 및 전류 레벨을 정의하는 안전 연소 영역을 지정합니다.이 영역의 경계는 주어진 트리거 펄스 지속 시간에 대해 지정된 최대 허용 게이트 전력(P_G)을 ^[9]초과하지 않아야 하는 요건에 따라 부분적으로 결정됩니다.

전압, 전류 또는 전력 정격을 초과하여 발생하는 일반적인 고장 모드와 더불어 사이리스터에는 다음과 같은 고유한 고장 모드가 있습니다.

• 온 di/dt – 트리거 후 온스테이트 전류의 상승률이 액티브 전도 영역(SCRs & Triacs)의 확산 속도보다 높습니다.
• 강제 정류 – 과도 피크 역복구 전류가 서브캐소드 영역에 높은 전압 강하를 일으켜 게이트 음극 다이오드 접합부의 역내압(SCR만 해당)을 초과합니다.
• dv/dt 켜기 – 양극 대 음극 전압 상승 속도가 너무 클 경우 게이트에서 트리거하지 않고 사이리스터를 충동적으로 작동시킬 수 있습니다.

탄화규소 사이리스터

최근 몇 년 동안 일부 제조업체는^[10] 실리콘 카바이드(SiC)를 반도체 재료로 사용하여 사이리스터를 개발했습니다.이 제품은 최대 350°C의 온도에서 작동할 수 있는 고온 환경에서 사용됩니다.

종류들

• ACS
• ACST
• AGT – 아노드 게이트 사이리스터 – 아노드 근처의 n형 레이어에 게이트가 있는 사이리스터
• ASCR – 비대칭 SCR
• BCT – 양방향 제어 사이리스터 – 별도의 게이트 접점을 가진 2개의 사이리스터 구조를 포함하는 양방향 스위칭 장치
• BOD – 차단 다이오드 – 눈사태 전류에 의해 트리거되는 게이트리스 사이리스터
  • DIAC: 양방향 트리거 장치
  • Dynistor – 단방향 스위칭 장치
  • 쇼클리 다이오드 – 단방향 트리거 및 스위칭 장치
  • SIDAC – 양방향 스위칭 디바이스
  • Trisil, SIDACtor – 양방향 보호 장치
• BRT – 기본 저항 제어 사이리스터
• ETO – 이미터 끄기 사이리스터^[11]
• GTO – 게이트 끄기 사이리스터
  • DB-GTO – 분산 버퍼 게이트 끄기 사이리스터
  • MA-GTO – 수정된 양극 게이트 끄기 사이리스터
• IGCT – 통합 게이트 변환 사이리스터
• 점화 스위치 – 소화기용 스파크 발생기
• LASCR – Light-Activated SCR 또는 LTT – Light-Triggered 사이리스터
• LAS – 광활성화 반도체 스위치
• MCT – MOSFET Controlled Syristor – On/Off 제어를 위한 두 개의 추가 FET 구조가 포함되어 있습니다.
• CSMT 또는 MCS – MOS 복합 정적 유도 사이리스터
• PUT 또는 PUJT – 프로그래머블 유니접속 트랜지스터 – 유니접속 트랜지스터의 기능 교체로 사용되는 양극 근처의 n형 레이어에 게이트가 있는 사이리스터
• RCT – 역전도성 사이리스터
• SCS – 실리콘 제어 스위치 또는 사이리스터 테트로이드 – 음극 게이트와 양극 게이트를 모두 갖춘 사이리스터
• SCR – 실리콘 제어 정류기
• SITh – 정적 유도 사이리스터 또는 FCTh – 현장 제어 사이리스터 – 양극 전류 흐름을 차단할 수 있는 게이트 구조를 포함합니다.
• TRIAC – 교류용 Triode – 공통 게이트 접점을 가진 2개의 사이리스터 구조를 포함하는 양방향 스위칭 장치
• Quadrac – DIAC와 TRIAC를 1개의 패키지로 조합한 특수한 타입의 사이리스터.

역전도 사이리스터

역전도형 사이리스터(RCT)는 일체형 역다이오드를 가지고 있기 때문에 역블로킹할 수 없다.이러한 장치는 역방향 또는 프리휠 다이오드를 사용해야 하는 경우에 유용합니다.SCR과 다이오드는 동시에 전도하지 않기 때문에 동시에 열을 발생시키지 않고 쉽게 통합 및 냉각할 수 있습니다.역전도 사이리스터는 주파수 체인저 및 인버터에 자주 사용됩니다.

포토티리스터

포토티리스터는 빛에 의해 활성화된다.포토티리스터의 장점은 전기 신호에 대한 불감증으로 인해 전기 소음이 심한 환경에서 작동 불량의 원인이 될 수 있다는 것입니다.Light-Triggered Syristor(LTT; 빛 트리거 사이리스터)는 게이트 내에 광학적으로 민감한 영역을 가지며, 이 영역에 전자방사선(통상 적외선)이 광섬유에 의해 결합된다.사이리스터를 트리거하기 위해 사이리스터의 전위에 전자 기판이 제공될 필요가 없으므로, HVDC와 같은 고전압 애플리케이션에서 빛 트리거 사이리스터가 유리할 수 있습니다.광 트리거형 사이리스터는 과전압(VBO) 보호 기능이 내장되어 있어 사이리스터를 통과하는 순방향 전압이 너무 높아지면 트리거할 수 있습니다. 또한 순방향 복구 보호 기능이 내장되어 있지만 상용화되지는 않았습니다.HVDC 밸브의 전자 장치를 단순화할 수 있지만, 빛 트리거 사이리스터는 여전히 몇 가지 간단한 모니터링 전자 장치가 필요할 수 있으며 일부 제조업체에서만 구입할 수 있습니다.

광활성화 SCR(LASCR)과 광활성화 TRIAC가 두 가지 일반적인 포토티리스터입니다.LASCR은 빛에 노출되면 켜지는 스위치 역할을 합니다.광노출 후 빛이 없을 때 전력이 제거되지 않고 음극과 양극의 극성이 아직 반전되지 않은 경우 LASCR은 여전히 "ON" 상태입니다.광활성 TRIAC는 교류용으로 설계되어 있다는 점을 제외하고는 LASCR과 유사합니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 사이리스터 제어 원자로
• 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터
• 래치업
• 쿼드랙
• 티라트론
• 사이리스터 구동

레퍼런스

원천

• Wintrich, Arendt; Nicolai, Ulrich; Tursky, Werner; Reimann, Tobias (2011). Application Manual Power Semiconductors 2011 (PDF) (2nd ed.). Nuremberg: Semikron. ISBN 978-3-938843-66-6. Archived from the original (PDF) on 2013-09-16.
• 사이리스터의 이론과 설계 고려사항; 반도체, 240페이지; 2006; HBD855/D. (PDF 무료 다운로드)
• Ulrich Nicolai, Tobias Remann, Yurgen Petzoldt, Josef Lutz:응용 프로그램 매뉴얼 IGBT 및 MOSFET 전원 모듈, 1. Edition, AIL Verlag, 1998, ISBN 3-932633-24-5 (PDF 무료 다운로드)
• SCR 매뉴얼; 제6판; General Electric Corporation; Frentice-Hall; 1979.

외부 링크

• 실리콘 제어 정류기의 초기 역사 - 프랭크 윌리엄 구츠윌러(G.E.의)
• SYRISTORS – 회선에 관한 모든 것
• 범용 사이리스터 구동 회로
• 사이리스터 리소스(간단한 설명)
• ST마이크로일렉트로닉스 사이리스터
• 사이리스터의 기초