サイリスタ

サイリスタ

サイリスタ
タイプ	アクティブ
最初の生産	1956
ピン名	アノード、ゲート、カソード
電子シンボル

サイリスタ（/ θ aɪ ˈ r ɪ s t ər /、ギリシャ語の「扉」または「弁」を意味するθύραとトランジスタ^[1]を組み合わせた語 ）は、非常に堅牢で切り替え可能なダイオードであると考えられる固体半導体デバイスであり、ゲート電極の制御下で、一方向には電流を流し、他方向には流さないものが多く、インバータやレーダー発電機などの高出力アプリケーションで使用されます。通常、P型材料とN型材料が交互に積層された4層で構成されています。^{[2] : 12}これは双安定スイッチ（またはラッチ）として機能します。 ^{[2] : 12}導通状態のトリガーが異なる2つの設計があります。3リードサイリスタでは、ゲートリードの小さな電流がアノードからカソードへの経路のより大きな電流を制御します。 2端子サイリスタでは、陽極と陰極自体の電位差が十分に大きくなると（ブレークダウン電圧）、導通が始まります。サイリスタは、デバイス全体の電圧が逆バイアスされるか、電圧が（他の手段で）除去されるまで、または新しいタイプでは制御ゲート信号によって導通し続けます。 ^{[2] : 12}

いくつかの情報源では、「シリコン制御整流器」（SCR）と「サイリスタ」を同義語として定義しています。^[3]他の情報源では、サイリスタを、少なくとも4層のN型とP型の基板を交互に組み込んだより複雑なデバイスとして定義しています。

最初のサイリスタ デバイスは 1956 年に商業的にリリースされました。サイリスタは比較的大きな電力と電圧を小さなデバイスで制御できるため、照明の調光器や電動モーターの速度制御から高電圧直流電力伝送に至るまで、電力の制御に幅広く使用されています。サイリスタは、電力スイッチング回路、リレー代替回路、インバータ回路、発振回路、レベル検出回路、チョッパ回路、調光回路、低コストのタイマー回路、論理回路、速度制御回路、位相制御回路などに使用できます。もともと、サイリスタは電流の反転のみを使用してオフにしていたため、直流に適用するのは困難でした。新しいタイプのデバイスでは、制御ゲート信号によってオンとオフを切り替えることができます。後者は、ゲート ターンオフ サイリスタ、または GTO サイリスタとして知られています。

トランジスタとは異なり、サイリスタは 2 値のスイッチング特性を持っています。つまり、サイリスタは完全にオンまたはオフのどちらか一方しか取れませんが、トランジスタはオンとオフの中間の状態を取ることができます。このため、サイリスタはアナログ アンプとしては不向きですが、スイッチとしては役立ちます。

1950年にウィリアム・ショックレーが提案し、ベル研究所のモルらが推進したシリコン制御整流器（SCR）またはサイリスタは、ゴードン・ホール率いるゼネラル・エレクトリック（GE）の電力技術者によって1956年に開発され、GEのフランク・W・「ビル」・ガッツヴィラーが商品化しました。電気電子技術者協会は、この発明を称え、ニューヨーク州クライドの発明現場に記念碑を設置し、これをIEEE歴史的マイルストーンと宣言しました。

初期のガス入り管式装置はサイラトロンと呼ばれ、小さな制御電圧で大電流を切り替えることができる同様の電子スイッチング機能を提供しました。「サイラトロン」と「トランジスタ」の組み合わせから「サイリスタ」という用語が生まれました。^{[2] : 12}

近年、一部のメーカー^{[4]は半導体材料として}シリコンカーバイド（SiC）を使用したサイリスタを開発しており、これらは高温環境での用途があり、最高350℃の 温度で動作することができます。

サイリスタは 4 層 3 端子の半導体デバイスで、各層はN 型またはP 型の材料が交互に並んでいます (例: PNPN)。アノードとカソードというラベルの付いた主端子は、4 つの層すべてにまたがっています。ゲートと呼ばれる制御端子は、カソード近くの p 型材料に接続されています。(SCS (シリコン制御スイッチ) と呼ばれるバリエーションでは、4 つの層すべてが端子に接続されています。) サイリスタの動作は、自己ラッチ動作を引き起こすように配置された、密に結合された 1 組のバイポーラ接合トランジスタの観点から理解できます。

サイリスタには 3 つの状態があります。

1. 逆ブロッキングモード: ダイオードによってブロックされる方向に電圧が印加される
2. 順方向ブロッキングモード: ダイオードが導通する方向に電圧が印加されているが、サイリスタは導通状態にトリガーされていない
3. 順方向導通モード: サイリスタは導通状態にトリガーされ、順方向電流が「保​​持電流」と呼ばれるしきい値を下回るまで導通状態を維持します。

サイリスタには 3 つのpn 接合(アノードから 順に J ₁、 J ₂、 J _{3と命名) があります。}

ゲートに電圧が印加されていない状態で、アノードがカソードに対して正の電位 V _{AKにある場合、接合 J 1}と J _{3 は}順方向バイアスされ、接合 J ₂は逆方向バイアスされます。J _{2 は}逆方向バイアスされているため、導通は発生しません (オフ状態)。ここで、V _{AK が}サイリスタのブレークダウン電圧V _{BO を}超えて増加すると、 J _2のアバランシェブレークダウンが発生し、サイリスタが導通を開始します (オン状態)。

ゲート端子にカソードに対して正の電位V _{G を印加すると、接合 J 2のブレークダウンは}V _AKのより低い値で発生します。適切なV _G値を選択することにより、サイリスタを素早くオン状態に切り替えることができます。

アバランシェブレークダウンが発生すると、サイリスタはゲート電圧に関係なく、(a) 電位V _AKが除去されるか、(b) デバイス (アノード - カソード) を流れる電流が製造元が指定した保持電流よりも小さくなるまで導通し続けます。したがって、V _{G は}UJT 緩和発振器からの電圧出力などの電圧パルスになります。

ゲート パルスは、ゲート トリガー電圧 ( V _GT ) とゲート トリガー電流 ( I _GT )によって特徴付けられます。ゲート トリガー電流はゲート パルス幅に反比例して変化するため、サイリスタをトリガーするには最小限のゲート電荷が必要であることは明らかです。

従来のサイリスタでは、ゲート端子によってオンに切り替えられると、アノード電流がラッチ電流 ( I L ) を超えていれば、デバイスはオン状態でラッチされたままになります (つまり、オン状態を維持するためにゲート電流を継続的に供給する必要はありません) 。アノードが正にバイアスされている限り、電流が保持電流 ( I _H ) を下回らない限り、オフにすることはできません。通常の動作状態では、ラッチ電流は常に保持電流よりも大きくなります。上の図では、I _L > I _Hであるため、I _{L は}y 軸上でI _H より上になければなりませ_ん。

サイリスタは、外部回路によってアノードが負にバイアスされるとオフになります (自然整流またはライン整流と呼ばれる方法)。一部のアプリケーションでは、2 番目のサイリスタを切り替えてコンデンサを最初のサイリスタのアノードに放電することでこれを行います。この方法は強制整流と呼ばれます。

サイリスタを流れる電流が保持電流を下回ると、アノードが正にバイアスされてサイリスタがオフ状態に維持されるまでに遅延が生じます。この最小遅延は、回路整流ターンオフ時間 ( t _Q ) と呼ばれます。この時間内にアノードを正にバイアスしようとすると、まだ再結合していない残りの電荷キャリア (正孔と電子)によってサイリスタが自己トリガーされます。

家庭用交流電源より高い周波数（50 Hz または 60 Hz など）の用途では、t _Qの値が低いサイリスタが必要です。このような高速サイリスタは、シリコンに電荷結合中心として作用する金やプラチナなどの重金属 イオンを拡散させることで作ることができます。今日では、高速サイリスタはシリコンの電子または陽子照射、またはイオン注入によって作られることが多くなっています。照射は重金属ドーピングよりも用途が広く、シリコン処理のかなり後の段階であっても、投与量を細かく調整できます。

• ACS
• ＡＣＳＴ
• AGT: アノードゲートサイリスタ: アノードに近いn型層にゲートがあるサイリスタ
• ASCR : 非対称SCR
• BCT: 双方向制御サイリスタ: 別々のゲート接点を持つ2つのサイリスタ構造を含む双方向スイッチングデバイス
• BOD:ブレークオーバーダイオード:アバランシェ電流によって作動するゲートレスサイリスタ
  • DIAC : 双方向トリガー装置
  • ダイニスター: 単方向スイッチングデバイス
  • ショックレーダイオード：単方向トリガーおよびスイッチングデバイス
  • SIDAC : 双方向スイッチングデバイス
  • Trisil、SIDACtor: 双方向保護デバイス
• BRT: ベース抵抗制御サイリスタ
• ETO：エミッタターンオフサイリスタ^[5]
• GTO : ゲートターンオフサイリスタ
  • DB-GTO: 分散バッファゲートターンオフサイリスタ
  • MA-GTO: 改良型アノードゲートターンオフサイリスタ
• IGCT : 統合ゲート整流サイリスタ
• イグナイター: 着火回路用スパーク発生器
• LASCR: 光起動SCR、またはLTT: 光トリガーサイリスタ
• LASS: 光活性化半導体スイッチ
• MCT : MOSFET 制御サイリスタ:オン/オフ制御用の2 つの追加FET構造が含まれています。
• CSMTまたは MCS: MOS 複合静電誘導サイリスタ
• PUT または PUJT: プログラマブル ユニジャンクション トランジスタ:ユニジャンクション トランジスタの機能的な代替として使用される、アノードに近い n 型層にゲートを備えたサイリスタ
• RCT : 逆導通サイリスタ
• SCS: シリコン制御スイッチまたはサイリスタ テトロード: カソードゲートとアノードゲートの両方を備えたサイリスタ
• SCR : シリコン制御整流器
• SITh : 静電誘導サイリスタ、または FCTh: 電界制御サイリスタ: アノード電流の流れを遮断できるゲート構造を備えています。
• トライアック：交流用三極管：共通ゲート接点を持つ2つのサイリスタ構造を含む双方向スイッチングデバイス
• Quadrac : DIACとTRIAC を1 つのパッケージに組み合わせた特殊なタイプのサイリスタ。

逆導通サイリスタ (RCT) には逆ダイオードが組み込まれているため、逆方向をブロックすることはできません。これらのデバイスは、逆ダイオードまたはフリーホイール ダイオードを使用する必要がある場合に便利です。SCRとダイオードは同時に導通することはないため、同時に熱を発生せず、簡単に統合して一緒に冷却できます。逆導通サイリスタは、周波数変換器やインバータでよく使用されます。

フォトサイリスタは光によって作動する。フォトサイリスタの利点は、電気的ノイズの多い環境で誤動作を引き起こす可能性のある電気信号に対して鈍感なことである。光トリガーサイリスタ (LTT) にはゲートに光感度領域があり、そこに光ファイバーによって電磁放射(通常は赤外線) が結合される。サイリスタをトリガーするために電子ボードをサイリスタの電位に提供する必要がないため、光トリガーサイリスタはHVDCなどの高電圧アプリケーションで有利となり得る。光トリガーサイリスタには過電圧 (VBO) 保護機能が組み込まれており、サイリスタの順方向電圧が高くなりすぎるとサイリスタがトリガーされる。順方向回復保護機能が組み込まれたものもあるが、市販されていない。HVDC バルブの電子機器を簡素化できるにもかかわらず、光トリガーサイリスタには依然として簡単な監視電子機器が必要になる場合があり、数社のメーカーからしか入手できない。

一般的なフォトサイリスタには、光活性化SCR (LASCR) と光活性化TRIACの 2 つがあります。LASCR は、光にさらされるとオンになるスイッチとして機能します。光にさらされた後、光がなくなったときに、電源が取り外されず、カソードとアノードの極性がまだ反転していない場合は、LASCR は「オン」状態のままです。光活性化 TRIAC は LASCR に似ていますが、交流用に設計されている点が異なります。

サイリスタ製造業者は、通常、所定の動作温度における許容電圧および電流レベルを定義する安全点火領域を指定します。この領域の境界は、所定のトリガーパルス持続時間に対して指定された最大許容ゲート電力（P _G）を超えないという要件によって部分的に決定されます。 ^[6]

電圧、電流、または電力定格の超過による通常の故障モードに加えて、サイリスタには次のような独自の特定の故障モードがあります。

• ターンオン di/dt: トリガー後のオン状態電流の上昇率が、アクティブ伝導領域 (SCR およびトライアック) の拡散速度でサポートできる速度よりも高い場合。
• 強制整流: 過渡ピーク逆回復電流によってサブカソード領域で非常に高い電圧降下が発生し、ゲート カソード ダイオード接合の逆ブレークダウン電圧を超えます (SCR のみ)。
• dv/dt をオンにする: アノードからカソードへの電圧上昇率が大きすぎる場合、サイリスタはゲートからのトリガーなしで誤って発火する可能性があります。

サイリスタは主に高電流および高電圧が関係する場所で使用され、交流電流の制御によく使用されます。交流電流の制御では、電流の極性が変わるとデバイスが自動的にオフになり、「ゼロクロス」動作と呼ばれます。デバイスは同期して動作すると言えます。つまり、デバイスがトリガーされると、カソードとアノードの接合部に印加された電圧と同位相で電流が伝導され、それ以上のゲート変調は必要なく、つまりデバイスは完全にオンにバイアスされます。これは非対称動作と混同しないでください。出力は一方向で、カソードからアノードにのみ流れ、本質的に非対称です。

サイリスタは、位相角トリガー コントローラ (位相点火コントローラとも呼ばれる) の制御要素として使用できます。

デジタル回路の電源にも使用されており、電源の故障が下流のコンポーネントに損傷を与えないようにするための一種の「強化回路ブレーカー」として使用されています。サイリスタはゲートに接続されたツェナーダイオードと組み合わせて使用​​され、電源の出力電圧がツェナー電圧を超えると、サイリスタが導通して電源出力をグランドに短絡します（通常は上流のブレーカーまたはヒューズもトリップします）。この種の保護回路はクローバーと呼ばれ、グランドへの高伝導パスを作成することで、電源電圧の損傷を防ぎ、（電源が供給されているシステム内の）エネルギーを蓄積できる可能性があるという点で、標準的な回路ブレーカーやヒューズよりも優れています。

サイリスタとそれに関連するトリガダイアックが初めて大規模に応用されたのは、1970 年代初頭のカラーテレビ受信機内の安定化電源に関連した消費者製品でした。 ^{[説明が必要]} 受信機の安定化された高電圧 DC 電源は、サイリスタ デバイスのスイッチング ポイントを、AC 電源入力の正の半分の下降傾斜の上下に移動させることによって得られました (上昇傾斜を使用した場合、デバイスがトリガされたときに出力電圧は常にピーク入力電圧に向かって上昇し、調整の目的が達成されませんでした)。正確なスイッチング ポイントは、DC 出力電源の負荷と AC 入力の変動によって決まりました。

サイリスタは、テレビ、映画、劇場の照明調光器として数十年にわたって使用され、オートトランスやレオスタットなどの劣った技術に取って代わってきました。また、写真撮影では、フラッシュ（ストロボ）の重要な部品としても使用されてきました。

サイリスタは、オフ電圧の上昇率が高いと作動します。サイリスタのアノードとカソード間のオフ電圧が上昇すると、コンデンサの充電電流と同様の電荷の流れが生じます。サイリスタのオフ電圧の最大上昇率またはdV/dt定格は、ゲート信号が印加されていないときにサイリスタを導通状態にしないアノード電圧の最大上昇率を示すため、重要なパラメータです。サイリスタのアノードとカソード間のオフ電圧の上昇率による電荷の流れが、ゲートが通電されたときに注入される電荷​​の流れと等しくなると、サイリスタがランダムに誤って作動し、望ましくない状態になります。^[7]

これを防ぐには、アノードとカソードの間に抵抗器-コンデンサ(RC)スナバ回路を接続してdV/dt (つまり、時間経過に伴う電圧変化率) を制限します。スナバは、電気または機械のスイッチが開いたときに回路のインダクタンスによって発生する電圧スパイクを抑制するために使用されるエネルギー吸収回路です。最も一般的なスナバ回路は、スイッチ (トランジスタ) に直列に接続されたコンデンサと抵抗器です。

現代のサイリスタはメガワット規模の電力をスイッチングできるため、サイリスタ バルブは高電圧直流(HVDC) と交流間の変換の中心となっています。この分野やその他の非常に高出力の用途では、 ^{[2] : 12}電気トリガー (ETT) サイリスタと光トリガー (LTT) サイリスタの両方^{[8] [9]}が依然として主な選択肢です。サイリスタはダイオード ブリッジ回路に配置され、高調波を減らすために直列に接続されて12 パルス コンバータを形成します。各サイリスタは脱イオン水で冷却され、全体の配置は複数の同一モジュールの 1 つとなり、4 重バルブと呼ばれる多層バルブ スタックの層を形成します。このようなスタック 3 つは通常、長距離送電施設のバルブ ホールの床に設置されるか、天井から吊り下げられます。 ^{[10] [11]}

サイリスタの機能上の欠点は、ダイオードと同様に、一方向にしか導通しないため、AC 電流では安全に使用できないことです。 TRIACと呼ばれる同様の自己ラッチ型 5 層デバイスは、両方向に動作できます。 ただし、この追加された機能が欠点になることもあります。 TRIAC は両方向に導通できるため、AC電源サイクルのゼロ電圧の瞬間に、リアクタンス負荷によってオフにならない場合があります。 このため、(たとえば)誘導性の強いモーター負荷で TRIAC を使用する場合は、通常、TRIAC の周囲に「スナバ」回路を使用して、主電源の半サイクルごとに確実にオフになるようにする必要があります。逆並列SCR をトライアックの代わりに使用することもできます。ペアの各 SCR には、逆極性の半サイクル全体が適用されるため、SCR は TRIAC とは異なり、確実にオフになります。ただし、この構成で支払う「代償」は、2 つの別個だが本質的に同一のゲート回路による複雑さが増すことです。

サイリスタはメガワット規模の交流から直流への整流に多用されていますが、低・中電力（数十ワットから数十キロワット）の用途では、パワーMOSFETやIGBTなど、スイッチング特性に優れた他のデバイスに事実上置き換えられています。SCRに関連する大きな問題の1つは、完全に制御可能なスイッチではないことです。GTOサイリスタとIGCTは、サイリスタに関連する2つのデバイスで、この問題に対処しています。高周波用途では、バイポーラ伝導によりスイッチング時間が長くなるため、サイリスタは適していません。一方、MOSFETはユニポーラ伝導（多数キャリアのみが電流を運ぶ）のため、スイッチング能力がはるかに高速です。

• サイリスタ制御リアクター
• 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
• ラッチアップ
• クアドラック
• サイラトロン
• サイリスタ駆動
• ゲートターンオフサイリスタ

• Wintrich, Arendt; Nicolai, Ulrich; Tursky, Werner; Reimann, Tobias (2011). アプリケーション マニュアル Power Semiconductors 2011 (PDF) (第 2 版). ニュルンベルク: Semikron. ISBN 978-3-938843-66-62013年9月16日時点のオリジナル（PDF）よりアーカイブ。
• サイリスタ理論と設計上の考慮事項、ON Semiconductor、240 ページ、2006 年、HBD855/D。(無料 PDF ダウンロード)
• Ulrich Nicolai、Tobias Reimann、Jürgen Petzoldt、Josef Lutz: Application Manual IGBT and MOSFET Power Modules、1. Edition、ISLE Verlag、1998、ISBN 3-932633-24-5。（無料PDFダウンロード） 
• SCR マニュアル、第 6 版、General Electric Corporation、Prentice-Hall、1979 年。

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• フランク・ウィリアム・ガッツヴィラー（GE）によるシリコン制御整流器の初期の歴史
• All About Circuits のサイリスタ
• ユニバーサルサイリスタ駆動回路
• サイリスタリソース（簡単な説明）
• STマイクロエレクトロニクスのサイリスタ
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