シリコン制御整流器

シリコン制御整流器
	シリコン制御整流器
タイプ	アクティブ
動作原理	イアン・M・マッキントッシュ（ベル研究所）
発明家	ゴードン・ホールとフランク・W・「ビル」・ガッツヴィラー
最初の生産	ゼネラル・エレクトリック、1957年
ピン名	アノード、ゲート、カソード
電子シンボル

シリコン制御整流器または半導体制御整流器は、4 層の固体電流制御装置です。「シリコン制御整流器」という名前は、ゼネラルエレクトリック社がサイリスタの一種に対して付けた商標です。4 層 p-n-p-n スイッチングの原理は、1956 年にベル研究所のモール、タネンバウム、ゴールディ、ホロニアックによって開発されました。 ^[1]シリコン制御スイッチングの実際のデモンストレーションと、実験結果と一致するデバイスの詳細な理論的動作は、1958 年 1 月にベル研究所のイアン M. マッキントッシュ博士によって発表されました。^[2]^[3] SCR は、ゴードンホールが率いる電力技術者のチームによって開発され、^[4] ^[5] ^[6] ^[7] 、フランク W. "ビル" ガッツウィラーによって 1957 年に商品化されました。

いくつかの情報源では、シリコン制御整流器とサイリスタを同義語と定義していますが^[8]、他の情報源では、シリコン制御整流器をサイリスタの適切なサブセットと定義しています。サイリスタは、少なくとも4層のn型とp型の材料が交互に積層されたデバイスです。^[9]^[10] ビル・ガッツウィラーによると、「SCR」と「制御整流器」という用語は以前から使用されており、「サイリスタ」は、デバイスの使用が国際的に広まるにつれて後から使用されたとのことです。^[11]

SCR は一方向デバイス（つまり、電流を一方向にしか流せない）であり、TRIACは双方向デバイス（つまり、電荷キャリアはどちらの方向にも流れる）です。SCR は通常、ゲートに正の電流が流れることによってのみトリガーされますが、TRIAC は通常、ゲート電極に正または負の電流が印加されるとトリガーされます。

動作モード

SCR には、与えられるバイアスに応じて 3 つの動作モードがあります。

前方ブロッキングモード（オフ状態）
順方向導通モード（オン状態）
逆ブロッキングモード（オフ状態）

フォワードブロッキングモード

この動作モードでは、アノード (+、p ドープ側) には正の電圧が与えられ、カソード (-、n ドープ側) には負の電圧が与えられ、ゲートはゼロ (0) 電位、つまり切断された状態になります。この場合、接合J1とJ3 は順方向バイアスされ、J2は逆方向バイアスされるため、アノードからカソードへの漏れ電流はわずかになります。印加電圧がJ2のブレークオーバー値に達すると、J2 はアバランシェ降伏を起こします。このブレークオーバー電圧でJ2 は導通を開始しますが、ブレークオーバー電圧以下ではJ2 は電流に対して非常に高い抵抗を示し、SCR はオフ状態にあると言われます。

順方向伝導モード

SCR をブロッキングモードから導通モードに移行するには、2 つの方法があります。アノードとカソード間の電圧をブレークオーバー電圧以上に上げるか、ゲートに正のパルスを印加します。SCR が導通を開始すると、オン状態を維持するためにゲート電圧は不要になります。ゲート電圧を除去したときに SCR をオン状態に維持するために必要な最小電流は、ラッチング電流と呼ばれます。

オフにするには 2 つの方法があります。

保持電流と呼ばれる最小値以下に電流を減らすか、
ゲートをオフにした状態で、プッシュボタンスイッチまたはトランジスタを使用して、接合部を横切ってアノードとカソードを瞬間的に短絡します。

逆ブロッキングモード

負の電圧がアノードに、正の電圧がカソードに印加されると、SCR は逆阻止モードになり、J1 と J3 は逆バイアスされ、J2 は順バイアスされます。デバイスは、直列に接続された 2 つのダイオードとして動作します。小さな漏れ電流が流れます。これが逆阻止モードです。逆電圧が増加すると、逆破壊電圧 (V _BR ) と呼ばれる臨界破壊レベルで J1 と J3 でアバランシェが発生し、逆電流が急速に増加します。SCR は逆阻止機能付きで提供されており、長い低ドープ P1 領域が必要なため、順方向電圧降下が増加します。通常、逆阻止電圧定格と順方向阻止電圧定格は同じです。逆阻止 SCR の一般的な用途は、電流源インバータです。

逆電圧をブロックできない SCR は非対称 SCRと呼ばれ、略してASCRと呼ばれます。通常、逆破壊定格は数十ボルトです。ASCR は、逆導通ダイオードが並列に適用される場合 (たとえば、電圧源インバータ)、または逆電圧が決して発生しない場所 (たとえば、スイッチング電源または DC トラクションチョッパ) で使用されます。

非対称 SCR は、逆導通ダイオードを同じパッケージに組み込んで製造できます。これらは、逆導通サイリスタ(RCT) として知られています。

サイリスタのターンオン方法

順方向電圧トリガー
ゲートトリガー
dv / dtトリガー
熱誘発
光トリガー

順方向電圧トリガーは、ゲート回路が開いた状態でアノード-カソード順方向電圧が上昇すると発生します。これはアバランシェブレークダウンと呼ばれ、その間に接合 J2 がブレークダウンします。十分な電圧に達すると、サイリスタはオン状態に変わり、電圧降下は低く、順方向電流は大きくなります。この場合、J1 と J3 はすでに順方向バイアスされています。

ゲートトリガーが発生するには、サイリスタは、印加電圧がブレークダウン電圧よりも低い順方向ブロッキング状態にある必要があります。そうでない場合、順方向電圧トリガーが発生する可能性があります。次に、ゲートとカソードの間に 1 つの小さな正の電圧パルスを印加します。これにより、サイリスタをオン状態にする単一のゲート電流パルスが供給されます。実際には、これがサイリスタをトリガーする最も一般的な方法です。

温度トリガーは、温度が上昇するにつれて空乏領域の幅が狭くなるときに発生します。SCR が VPO に近い場合、温度がわずかに上昇すると、接合部 J2 が除去され、デバイスがトリガーされます。

シンプルなSCR回路

抵抗負荷を持つ SCR に接続された AC 電圧源を使用して、簡単な SCR 回路を説明することができます。SCR のゲートに電流パルスが印加されない場合、SCR は順方向ブロッキング状態のままになります。これにより、SCR の導通開始を制御できます。遅延角 α (ゲート電流パルスが印加される瞬間と自然導通の瞬間 (ωt = 0) との差) によって、導通開始が制御されます。SCR が導通すると、SCR を流れる電流 i _{s が}負になるまで SCR はオフになりません。別のゲート電流パルスが印加され、SCR が再び導通を開始するまで、i _{s は}ゼロのままです。^[12]

アプリケーション

SCR は主に、高電圧を伴う可能性のある高電力の制御が求められるデバイスで使用されます。その動作により、ランプの調光、電力レギュレータ、モーター制御など、中電圧から高電圧の AC 電力制御アプリケーションでの使用に適しています。

SCR および類似のデバイスは、高電圧直流電力伝送における高出力 AC の整流に使用されます。また、主にガスタングステンアーク溶接などの溶接機の制御にも使用されます。さまざまなデバイスで電子スイッチとして使用されます。初期のソリッドステートピンボールマシンでは、これらを使用して、ライト、ソレノイド、その他の機能を機械的ではなく電子的に制御していたため、ソリッドステートと呼ばれています。

その他の用途には、電力スイッチング回路、制御整流器、DC シャントモーターの速度制御、SCR クローバー、コンピューターロジック回路、タイミング回路、インバーターなどがあります。

SCSとの比較

シリコン制御スイッチ (SCS) は SCR とほぼ同じように動作しますが、いくつかの違いがあります。SCR とは異なり、SCS は別のアノードゲートリードに正の電圧/入力電流が印加されるとオフになります。SCR とは異なり、SCS は、同じリードに負の電圧/出力電流が印加されると導通状態になります。

SCS は、2 つの異なる制御パルスによってオン/オフを切り替えるスイッチを必要とするほぼすべての回路で役立ちます。これには、電源スイッチング回路、ロジック回路、ランプドライバー、カウンターなどが含まれます。

TRIACと比較して

TRIACは、どちらも電気的に制御されるスイッチとして機能するという点で SCR に似ています。SCR とは異なり、TRIAC はどちらの方向にも電流を流すことができます。そのため、TRIAC は AC アプリケーションに特に便利です。TRIAC には、ゲートリードと MT1 および MT2 と呼ばれる 2 つの導電リードの 3 つのリードがあります。ゲートリードに電流/電圧が印加されていない場合、TRIAC はオフになります。一方、ゲートリードにトリガー電圧が印加されている場合、TRIAC はオンになります。

TRIAC は、調光回路、位相制御回路、AC 電力スイッチング回路、AC モーター制御回路などに適しています。

参照

参考文献

^ Moll, J .; Tanenbaum, M.; Goldey, J.; Holonyak, N. (1956 年 9 月)。「PNPN トランジスタスイッチ」。IREの議事録。44 (9): 1174–1182。doi : 10.1109 /jrproc.1956.275172。ISSN 0096-8390。S2CID 51673404 。
^ Vasseur, JP (2016-06-06). トランジスタの特性と応用. Elsevier. ISBN 9781483138886。
^ Twist, Jo (2005-04-18). 「デジタルライフを推進した法律」BBCニュース2018年7月27日閲覧。
^ Ward, Jack. 「シリコン制御整流器の初期の歴史」p. 6 。 2014年4月12日閲覧。
^ 「半導体：サイリスタなど」エジソンテックセンター。
^ 「SCR は 50 周年を迎えました」(PDF)。IEEE Industry Applications Magazine。
^ Mungenast, JE「SCR 革命」。RF Cafe。ゼネラル・エレクトリック社。
^ クリスチャンセン、ドナルド、アレクサンダー、チャールズ、ユルゲン、ロナルド (2005)。電子工学の標準ハンドブック、第 5 版。McGraw- hill。ISBN 9780071384216。
^ 国際電気標準会議60747-6 規格
^ Dorf, Richard C. (1997-09-26).電気工学ハンドブック、第 2 版。CRC プレス。ISBN 9781420049763。
^ Ward, Jack. 「シリコン制御整流器の初期の歴史」p. 7 。 2014年4月12日閲覧。
^ Mohan, Ned (2012).パワーエレクトロニクス: 初級コース. 米国: Don Fowley. pp. 230–231. ISBN 978-1-118-07480-0。

さらに読む

ON Semiconductor (2006 年 11 月)。サイリスタの理論と設計上の考慮事項(PDF) (rev.1、HBD855/D 版)。p. 240。
GK Mithal.産業およびパワーエレクトロニクス。
KB Khanchandani。パワーエレクトロニクス。

外部リンク

AllAboutCircuits の SCR
SCR回路設計

[1] ^ Moll, J .; Tanenbaum, M.; Goldey, J.; Holonyak, N. (1956 年 9 月)。「PNPN トランジスタスイッチ」。IREの議事録。44 (9): 1174–1182。doi : 10.1109 /jrproc.1956.275172。ISSN 0096-8390。S2CID 51673404 。

[2] Vasseur, JP (2016-06-06). トランジスタの特性と応用. Elsevier. ISBN 9781483138886。

[3] Twist, Jo (2005-04-18). 「デジタルライフを推進した法律」BBCニュース2018年7月27日閲覧。

[4] Ward, Jack. 「シリコン制御整流器の初期の歴史」p. 6 。 2014年4月12日閲覧。

[5] 「半導体：サイリスタなど」エジソンテックセンター。

[6] 「SCR は 50 周年を迎えました」(PDF)。IEEE Industry Applications Magazine。

[7] Mungenast, JE「SCR 革命」。RF Cafe。ゼネラル・エレクトリック社。

[8] クリスチャンセン、ドナルド、アレクサンダー、チャールズ、ユルゲン、ロナルド (2005)。電子工学の標準ハンドブック、第 5 版。McGraw- hill。ISBN 9780071384216。

[9] 国際電気標準会議60747-6 規格

[10] Dorf, Richard C. (1997-09-26).電気工学ハンドブック、第 2 版。CRC プレス。ISBN 9781420049763。

[11] Ward, Jack. 「シリコン制御整流器の初期の歴史」p. 7 。 2014年4月12日閲覧。

[12] Mohan, Ned (2012).パワーエレクトロニクス: 初級コース. 米国: Don Fowley. pp. 230–231. ISBN 978-1-118-07480-0。