シリコン制御整流器（SCR）を理解する

シリコン制御整流器（SCR）は、よりシンプルなShockleyダイオードから進化するパワーエレクトロニクスの重要な部分です。Shockleyダイオードは基本的なスイッチとして機能しましたが、外部から制御することはできませんでした。GATE端子を追加してSCRがその伝導を正確に制御できるようにし、さまざまな回路で電力を管理するためのアクティブなコンポーネントに変えます。この記事では、SCRの構造と操作について、その内部構成と効率的な切り替えのための肯定的なフィードバックメカニズムを含みます。さまざまなトリガー方法と、信頼できるパフォーマンスのための制御されたアクティベーションの必要性を説明しています。この記事では、SCR機能のテスト、AC電源制御の使用、高度なトリガー技術、SCRの種類、SCRテクノロジーの新しい傾向についても説明しています。目標は、SCRS、それらがどのように機能するか、そして現代の電子機器における彼らの役割を明確に理解することです。

カタログ

Schockley DiodeへのDiode

図1：Shockley Diode

PNPNデバイスの初期バージョンであるShockley Diodeは、特定の電圧に達するとオンになる基本的なスイッチとして機能します。ただし、スイッチングを制御できないため、使用は制限されています。SCRの導入は、ゲート端子を追加することにより、Shockleyダイオードの改善されます。この追加により、デバイスの伝導状態の外部制御が可能になり、簡単なスイッチからアクティブなコンポーネントに変更して、より高い精度でより高い電力レベルを処理できます。この変更により、デバイスの有用性が大幅に向上し、より多くの電子回路に適しています。

シリコン制御整流器構造

図2：シリコン制御スイッチ

ShockleyダイオードからSCRへの進化には、既存のPNPN構造にゲート端子を追加することが含まれます。このゲート端子は、SCRを外部信号によって制御できるようにし、必要に応じてデバイスをオンとオフに切り替える方法を提供します。この変更により、SCRはアクティブコンポーネントになり、さまざまな電子回路での使用を大幅に拡大します。外部信号を使用してスイッチングアクションを制御する機能は、最新の電子アプリケーションに非常に役立つ正確な電力管理のための新しい可能性を生み出します。

SCRの構造と動作

図3：SCRの構造と動作

SCRは、アノード、カソード、およびゲート端子を備えた3つのPN接合部を形成する4つの半導体層で構成されています。ゲートが接続されていないままになると、SCRはShockleyダイオードのように機能し、ブレークオーバー電圧に達したときにオンになります。ただし、ゲートに小さな電圧を適用すると、SCRを意図的にトリガーできます。

SCR伝導パス

小さな電流がゲートに適用されると、SCRの下部トランジスタがオンになります。次に、このアクションは上部トランジスタをオンにし、SCRを「上」状態に保つループを作成し、アノードからカソードに電流が流れるようにします。これが発生した後、SCRをオンにするためにゲート電流は不要になります。SCRには、2つのトランジスタが一緒に動作し、開始すると協力しています。この設計は、SCRスイッチをオフからオンにすばやく支援します。

図4：SCR伝導パス

SCRがどのように機能するかを理解するには、内部のセットアップを見てください。パルスがゲートに送信されると、下のトランジスタがアクティブになり、電流が上部トランジスタを通過し、下のトランジスタをオンにします。このループは、保持電流と呼ばれる電流が特定のレベルを下回るまで、SCRがオンのままであることを保証します。これにより、SCRSは電力の切り替えと管理に確実に役立ちます。

トリガーおよび発射方法

射撃とも呼ばれるトリガーは、SCRのゲート端子に電圧パルスを適用することを意味します。この方法により、電圧がブレークオーバーポイントを超えているかどうかに関係なく、必要なときにSCRがオンになるようにします。ネガティブ電圧をゲートに適用してSCRをオフにする逆トリガーも実行できますが、電流が多いため効率が低くなります。

ゲートターンオフサイリスト（GTO）シンボル

図5：GTOシンボル

SCRをトリガーすることは、その動作の鍵です。SCRをトリガーするために必要なゲート電流は、デバイスを流れる電流よりもはるかに低く、増幅を提供します。トリガーされると、SCRは、電流が保持電流として知られる電流が特定のレベルを下回るまで伝導状態にとどまります。この特性は、制御されたスイッチングが必要なアプリケーションで非常に有用であり、荷重電流がオフになるまで十分に低下するまでSCRがオンになることを保証します。この制御された活性化と非活性化により、SCRは正確な電力管理を必要とするアプリケーションに非常に適しています。

SCR機能のテスト

SCRが機能するかどうかをテストするには、オームメーターを使用して基本的なチェックから始めて、ゲートからカソードの接合部を測定できます。ただし、この簡単なテストでは十分ではありません。また、SCRがロード下でどのように機能するかを確認する必要があります。徹底的なテストのために、DC電源を備えた回路をセットアップし、プッシュボタンがスイッチを入れて、荷重に接続したときにSCRがオンとオフになる方法を観察します。

図6：SCRテスト回路

SCRSが正しく機能するようにするために、テストにいくつかのステップが関与しています。DC電源、荷重抵抗器、プッシュボタンスイッチを使用して、トリガーと保持プロセスをシミュレートするためのプッシュボタンスイッチを使用して、簡単なテスト回路を構築できます。このセットアップでSCRの動作を見ることで、予想どおりにラッチしてオフにする能力を確認できます。このテストプロセスは、潜在的な問題の診断に役立ち、実際のアプリケーションでのSCRの信頼性を保証します。実際の負荷条件下での包括的なテストは、SCRの弱点や欠陥を見つけるのに役立ち、要求の厳しいアプリケーションで信頼できるパフォーマンスを確保します。

AC電力のSCR制御

SCRは、大量の電力を切り替える必要がある場合によく使用されますが、制御回路は、単純さと信頼性のために小さな電流と電圧のみを処理します。これにより、SCRSは、強力で敏感な制御メカニズムを必要とする状況に最適です。たとえば、SCRのゲート燃焼電力は50マイクロワット（1 V、50 µA）という低い場合があり、作動する接点がこの小さな信号のみを管理することを保証します。トリガーされると、SCRは出力負荷を直接処理および切り替え、最大100ワット以上を提供できます。これにより、制御回路のひずみを最小限に抑えた高出力システムの効率的な制御が可能になります。

図7：AC電源コントロールのSCR

それらがどのように機能するかという点では、SCRの逆の動作は典型的なシリコン整流器ダイオードのようなもので、アノードとカソードの間に負の電圧が適用されると開回路として機能します。前方方向では、SCRは、ゲート信号が適用されない限り、電圧が特定のブレークオーバーポイントを超えるまで電流の流れをブロックします。順方向のブレークオーバー電圧が上がるか、適切なゲート信号が導入されると、SCRは導電性状態に迅速に遷移し、単一関数整流器のそれ​​と同様の低い前方電圧低下があります。この迅速なスイッチング機能により、SCRは、制御操作の低電力要件を維持しながら、高電力負荷を確実に管理できるようになります。

図8：シリーズスイッチ

上の図は、SCRのゲートにAC信号を送信する単純なシリーズスイッチを示しています。抵抗R1はゲート電流を制限して安全に保ちますが、ダイオードDは非伝導サイクル中に逆電圧がゲートに影響を与えるのを防ぎます。アノードに接続されている負荷（RL）は、SCRの制限内の任意の値になります。このセットアップにより、SCRが確実に動作し、制御されたトリガーと電気応力からの保護が可能になります。

図9：ACスイッチ波形

スイッチSが開いている場合、AC電源が存在していてもSCRはオフのままです。閉鎖スイッチSを使用すると、ACサイクルの正の部分がSCRをトリガーすることができ、アノードが正であるため、SCRが動作します。SCRは、サイクルの半分未満でオンになり、サイクルの負の中でオフになります。SCRがオンになったときの閉鎖は制御し、電流が負荷を流れるようにします。電流を停止するには、スイッチを開くか、マイナスサイクルを待つことができます。このセットアップにより、回路内の電流フローを簡単に制御できます。

図10：シャントスイッチ

SCRを制御するには、ゲートでDCを使用できます。GATEにDCを適用すると、SCRオンをオンにします。別の方法は、ゲートとカソード間のスイッチを使用することです。スイッチを開くと、SCRがオンになり、電流が負荷を流れるようになります。SCRをオフにして電流を停止するには、スイッチを閉じるか、アノードに負の電圧を適用します。この方法は、モーター速度や電力レベルなどのデバイスの制御に役立ちます。

図11：閉じたスイッチで電流をロードします

負荷に電力を切り替えるための他の2つの簡単な方法が示されています。最初の回路では、アクチュートコンタクトを閉じると荷重に電力が供給されます。逆に、第2巡回区は逆に動作します。接触が開いている場合にのみ、電力が負荷に供給されます。両方の回路は、表示されているACの代わりにDC電源を使用して「ラッチ」に設定できます。

最初の回路では、抵抗器R2とR3で構成された電圧分割器がSCRにACゲート信号を提供します。これにより、接触が閉じたときにSCRが発射し、電力を供給できます。2番目の回路では、スイッチを閉じるとゲートとカソードが同じポテンシャルになり、SCRが発火しないようにし、負荷に電力を遮断します。このシンプルなセットアップにより、いずれかの構成での負荷に対する電力の明確で予測可能な制御が保証されます。

図12：スイッチを開いた状態で電流をロードします

AC電源は、以下に示す回路を使用して制御できます。このセットアップでは、2つのSCRが連続して接続され、AC電圧の半サイクルを管理します。この構成により、各SCRがAC波形の1つのハーフサイクルを処理し、負荷に供給される電力を効率的かつ正確に制御できるようになります。

図13：2つのSCRを備えたACスイッチ

制御電流は、外部スイッチ（機械的または電子）が制御端子を接続するときに抵抗器R3を介してゲートに流れます。このスイッチは、電子アンプを活性化する光、熱、圧力などのさまざまなセンサーによって制御できます。スイッチが閉じると、各ACサイクルでSCRSがトリガーされ、負荷に電力が流れます。スイッチが開くと、SCRSは発射されず、負荷に電力が届かれません。このメカニズムは、負荷に供給されるAC電力を効果的に管理します。

アプリケーションとSCRの種類

SCRは、強力な制御機能を備えているため、多くのフィールドで使用されます。これらには、電力変換、モーター制御、照明システムが含まれます。特定のニーズを満たすために、さまざまな種類のSCRが開発されています。

標準SCR： 一般的な目的で使用されます。

高速スイッチングSCR： 高周波アプリケーション向けに設計されています。

ライトトリガーSCR（LTS）： トリガーにライトを使用して、電気分離を提供します。

ゲートターンオフSCR（GTO）： ターンオンとターンオフの両方のコントロールを可能にします。

逆ブロッキングSCR： 両方向で電流をブロックできます。

荷重の三相ブリッジSCR制御

SCRの各タイプは、特定のニーズに合わせて作成されます。標準のSCRは柔軟性があり、多くのアプリケーションで使用されますが、急速に切り替えるSCRは高速操作に最適です。ライトトリガーSCRS（LTS）は、光を使用してゲートをトリガーし、優れた電気分離を提供します。ゲートのターンオフSCR（GTO）は両方ともオンとオフにすることができ、高出力アプリケーションに適しています。逆ブロッキングSCRSは、両方向の電流フローをブロックするように設計されており、AC電源制御シナリオでの使用を強化します。

図14：荷重の三相ブリッジSCR制御

SCRSの実用的なアプリケーションと高度な使用

SCRは、強力な制御機能により、多くのアプリケーションで広く使用されています。いくつかの注目すべきアプリケーションには以下が含まれます。

電力変換システム：SCRSは、電力変換システムの重要なコンポーネントであり、ACからDCパワーへの変更を管理し、その逆も同様です。これらのシステムは、産業用設定と家電の両方で使用されており、安定した信頼性の高い電源が必要です。

モーター制御：モーター制御アプリケーションでは、SCRSは電気モーターの速度とトルクを調整します。発火角を変更することにより、SCRSはモーターに送達される電力を制御し、その動作を正確に制御できます。

照明システム：SCRは、AC電源の位相角を制御することにより、ライトを滑らかに薄暗くするために使用されます。この能力は、エネルギー節約を提供し、照明アプリケーションの雰囲気を強化します。

暖房制御：加熱用途では、SCRSは加熱要素に供給される電力を調節し、高い精度で目的の温度を維持します。これは、正確な温度制御を必要とする産業プロセスで特に役立ちます。

保護回路：SCRSは、保護回路のクローバーとして機能し、過電圧条件がある場合に電源を短絡して、敏感な電子部品を損傷から保護します。

幅広いアプリケーションは、正確な制御と信頼性の高いパフォーマンスが必要な最新の電子機器におけるSCRの柔軟性と有用性を示しています。

SCR特性の詳細な分析

SCRSの特定の特性を理解することは、効果的な使用のための鍵です。重要な特性は次のとおりです。

ゲートトリガー電圧（v_GT））

SCRをオンにするのに必要な最小ゲート電圧。

電流を保持する（i_h））

SCRの伝導を維持するために必要な最小電流。

ラッチング電流（i_l））

GATEトリガーが削除された後、SCRを「オン」状態に保つために必要な最小電流。

ブレークオーバー電圧（v_bo））

Gate電流なしでSCRがオンになる電圧。

フォワードブロッキング電圧（v_DRM））

SCRが伝導せずに前方向にブロックできる最大電圧。

逆ブロック電圧（v_RRM））

SCRが逆方向にブロックできる最大電圧。

オンステート電圧ドロップ（v_TM））

電圧は、導通時にSCR全体に低下します。

DV/DT評価

SCRが電源を入れずに耐えることができるオフステート電圧の最大上昇率。

DI/DT評価

SCRが損傷なしで処理できる州内電流の最大上昇率。

SCR保護とスナバー回路

実際のアプリケーションでのSCRの信頼性を改善するために、保護回路がよく使用されます。一般的な方法の1つは、スナバー回路の使用です。Snubber Circuitsは、高DV/DTおよびDI/DTストレスからSCRを保護し、早期の障害を引き起こす可能性があります。

図15：SCR保護

SCRを突然の電圧スパイクから保護するために、コンバーター回路の各SCRには平行なR-Cスナバーネットワークがあります。このSnubberネットワークは、逆回復プロセス中に発生する内部電圧スパイクに対してSCRを保護します。SCRがオフになると、逆回復電流がエネルギー貯蔵要素を含むスナバー回路にリダイレクトされます。

入力側での稲妻とスイッチングサージは、コンバーターまたはトランスに損傷を与える可能性があります。これらの電圧の影響を減らすために、電圧クランプデバイスがSCR全体で使用されます。一般的な電圧クランプデバイスには、金属酸化物バリスト、セレン片片型ダイオード、雪崩ダイオードサプレッサーが含まれます。

これらのデバイスは、電圧が増加すると抵抗が減少し、サージ電圧が発生するとSCR全体の低耐性パスを提供します。以下の図は、SCRがThyrector DiodeとSnubberネットワークを使用して電圧から保護される方法を示しています。

SCRSの高度なトリガー技術

図16：トリガーテクニック

単純なゲートトリガーを超えて、高度な方法は複雑なセットアップでSCRパフォーマンスをさらに向上させることができます。これらの方法は次のとおりです。

•パルストリガー

短くて高電流パルスを使用してSCRをアクティブにすると、騒々しい環境でも確実にオンになっています。

•位相制御トリガー

SCRトリガーをAC電源に合わせると、負荷に送られる電力を正確に制御できます。

•光学的に分離されたトリガー

光アイソレーターを使用してSCRをトリガーすると、電気分離が提供され、制御回路が高電圧から保護されます。

•マイクロコントローラーベースのトリガー

マイクロコントローラーを使用して正確なトリガーパルスを生成すると、洗練された制御スキームと複雑なセットアップでのパフォーマンスが向上します。

マイクロコントローラーベースのSCRトリガー

図17：マイクロコントローラーベースのSCRトリガー

これらの高度なトリガー技術は、SCRアプリケーションでより柔軟性と制御を提供し、幅広い産業および家電に適しています。これらの方法を使用することにより、エンジニアは電力管理システムをより正確で信頼できる制御を実現し、SCRベースのソリューションの全体的な効率とパフォーマンスを改善できます。

最新のパワーエレクトロニクスのSCR

SCRSは、効率的で信頼性の高い電力制御システムを作成する上で重要な部分です。次のようないくつかの主要な領域で大きな違いをもたらします。

再生可能エネルギーシステム：SCRSは、電力インバーターとコントローラーで使用され、太陽光や風などの再生可能なソースから電力を変換および管理します。高電力レベルを処理し、正確な制御を提供し、これらのアプリケーションに最適です。

電気自動車：電気自動車（EV）では、SCRはモーターコントローラーとバッテリー充電システムで使用されます。バッテリーとモーターの間の電力フローを管理し、効率的な動作とバッテリー寿命が長くなるようにします。

スマートグリッド：スマートグリッドアプリケーションでは、SCRSが電力の分布を管理します。これらは、グリッド結合インバーター、電圧調整器、および位相角コントローラーで使用され、安定した効率的な電力供給を確保します。

産業自動化：SCRSは、モータードライブ、暖房制御、および産業用自動化のプロセス制御システムで使用されます。高出力を処理し、正確な制御を提供し、自動製造プロセスのコアコンポーネントにします。

無停電電源（UPS）：SCRSは、UPSシステムでの停止中に信頼できる電力バックアップを提供します。主要な電源とバックアップ電源をスムーズに切り替え、主要なシステムへの連続電力を確保するのに役立ちます。

SCRテクノロジーの将来の傾向と革新

SCRテクノロジーの開発により、より優れた信頼性の高い電力制御の必要性を満たすために、改善され続けています。炭化シリコン（SIC）や窒化ガリウム（GAN）などの新しい半導体材料により、SCRSは、より高い電圧を処理し、抵抗を減らし、熱管理の改善により、より良く機能します。Integrated Gate Commutated Thyristors（IGCT）は、GTOとIGBTの利点を組み合わせて、高速スイッチング、低エネルギー損失、および要求の厳しいアプリケーションのために高電力を処理する能力を提供します。SCRを使用したデジタル制御方法により、正確で柔軟な制御が可能になり、システムがより効率的で信頼性が高くなります。製造技術の進歩により、SCRSはより小さく、ポータブルデバイスに適しています。これは、家電に役立ちます。組み込みのスナバー回路や過電流保護など、SCRの強化された保護機能も、より信頼性が高く使いやすくなります。

結論

制御電流は、外部スイッチ（機械的または電子）が制御端子を接続するときに抵抗器R3を介してゲートに流れます。このスイッチは、電子アンプを活性化する光、熱、圧力などのセンサーによって制御できます。スイッチが閉じると、各ACサイクルでSCRSがトリガーされ、負荷に電力が供給されます。スイッチが開くと、SCRSは発射せず、パワーフローを停止します。このメカニズムは、AC電力を負荷に制御します。

炭化シリコン（SIC）や窒化ガリウム（GAN）などの半導体材料の改善により、SCRはより効率的で耐久性があります。統合されたゲートの紛争サイリスタ（IGCT）やデジタル制御技術などのイノベーションは、より速いスイッチング、エネルギー損失の削減、信頼性の向上によりSCRパフォーマンスを向上させます。SCRSは、スマートグリッドから電気自動車まで、新しいテクノロジーで重要な役割を果たし続け、効率的で信頼できる電力制御を確保します。

よくある質問[FAQ]

1.シリコン制御整流器の利点は何ですか？

シリコン制御整流器（SCR）は、効率的な電力制御、高い信頼性、高電圧と電流を処理する能力、パワーフローの正確な制御など、いくつかの利点を提供します。また、SCRSは高速スイッチング速度を提供し、過酷な環境で耐久性があり、さまざまな産業用途に適しています。

2.シリコン整流器ダイオードの目的は何ですか？

シリコン整流器ダイオードを使用して、交互の電流（AC）を誘導電流（DC）に変換します。電源が電源やその他の電子回路に必要な整流を提供し、電流が一方向のみに流れることができます。

3.なぜ制御された整流器が必要なのですか？

制御された整流器は、電子デバイスのパワーフローを正確に管理および制御するために使用されます。モーター速度制御、電源、調光照明などのアプリケーションで必要な出力電圧と電流を調整することができます。制御された整流器は、効率を改善し、電力供給の安定性を提供します。

5. SCRの結論は何ですか？

SCRは、パワーエレクトロニクスの多用途で信頼性の高いコンポーネントです。高出力および電圧アプリケーションを正確に制御し、さまざまな業界で価値があります。SCRは、材料と技術の進歩により改善を続け、将来のアプリケーションに関連することを保証します。

6.シリコン制御整流器ダイオードのアプリケーションは何ですか？

シリコン制御整流器ダイオードの用途には、モーター速度制御、光調光、ACおよびDC電源システムの電力調整、過電圧保護、およびインバーターが含まれます。また、産業用自動化、電源、および太陽光発電や風力発電コンバーターなどの再生可能エネルギーシステムにも使用されています。