사이리스터 [SCR 사이리스터(Silicon Controlled Rectifier
Thyristor)]
가. 개요
1958년 미국의 GE사에서 발표한 것으로서 PnPn 접합의
4층 구조 반도체 소자의 총칭으로 일반적으로는 SCR (실리콘 정류 제어소자)이라고
하는 역저지 3단자 Thyristor를 말하며,
3개 이상의 PN접합을 갖고 off 상태 및 on 상태의 두 안정상태를 가져야 하며
on상태에서 off 상태로 또한, off 상태에서 on 상태로 이행이 가능한 반도체소자라
정의하고 있다.
나. 사이리스터의 스위칭 이론
다. 사이리스터의 트리거 기구
- Gate 점호
Gate 신호전류에 의한 Trigger현상
- 전압효과
Anode-Cathode 간의 순방향 전압에 의하여
공핍층에서 Avlanche(전자사태) 현상이 발생하여 Trigger 되는 현상
- dv/dt 효과
충전전류의 증가에 의한 Avalanche 현상이
발생하여 Trigger되는 현상(온도 8℃ 증가할 때마다 누설전류가 2배로 증가)
- 광점호
J2 접합에 빛을 쪼이면 이곳에서 전자,정공의
쌍이 발생하여 누설전류가 증가해서 Trigger 되는 현상
라. SCR 사이리스터의 종류 및 구조
- 사이리스터의 Element의 구조별 분류 : mesa형,
Planer형
- 외형에 따른 분류 : Stud형, Flat형
- 단자수에 의한 분류 : 2단자, 3단자, 4단자 등
- 저지특성에 의한 분류 : 역저지형, 역도통형
- 스위칭 속도에 의한 분류 : 일반용, 고속사이리스터
마. 정격과 특성
1. 전압정격
- V-I 특성과 Breakover 전압 및 Breakdown 전압
- 정격 Peak 반복 off 전압 및 정격 Peak 비반복 off
전압
- 정격 Peak 반복 역전압 및 정격 Peak 비반복 역전압
2. 온도정격
최고정격온도 초과시에는 Breakover 전압이 크게 상하하고,
누설전류의 증가 및 Turn-off 시간이 증가하고 한다. 또 최저 정격온도 미달시에는
점호의 불능 및 변형에 의한 소자 파괴현상이 발생할 수 있다.
- 최고,최저 정격 접합온도
- 최고,최저 정격 보존온도
3. 정격전류
상용주파수의 단상 반파 평균전류의 최대값
4. 정격과부하 on 전류
통전할 시간 및 통전 이전에 흘린 전류값, 냉각조건 등의
함수가 된다.
5. 정격 Surge on 전류
영구파괴를 초래하지 않는 사고전류
6. Switching 정격
- di/dt 정격
소자의 손상을 일으키지 않는 on
상태 전류 상승률의 최대치이고 이에 대한 대책으로
- 소자의 구조상
di/dt 내량증가 : ring gate, center gate
- 외부회로에 의한 di/dt 억제
: 인덕터 L를 소자와 직렬접속한다
- 초기 Turn-on 면적의 증폭
- 고주파전류정격 : 전류의 주파수 및 펄스폭의 함수
7. 정특성
- off 전류
- 역 전류
- on 전압
- on 전류
- 전력손실
- on 손실 : 60Hz 이하에서는 거의
이에 속한다.
- 누설전류손(off 전류손과 역전류손) : 정격온도 이하에서는
무시
- 스위칭손실 : 400Hz 이하에서는 무시
- 유지전류(Holding Current) : on 상태를 유지하는데
필요한 최소의 Anode 전류
- 래칭전류( Latching Current) : Turn on 하는데
필요한 최소의 Anode 전류
- Switching 특성
- 임계 off 전압 상승률(dv/dt
특성) : 소자가 on 상태로 이행하려는 전압상승률의 한계치
-
Turn on time : ton(약 10㎲에서 50~100㎲)
ton는
게이트전류 Ig 및 dIg/dt의 크기가 클수록 짧다.
td : 지연시간(delay time), tr : 상승시간(rise
time)
- Turn off time : toff(수㎲에서 100㎲)
toff는
접합온도,온전류의 크기 및 -diA/dt값 , 역전압, 재인가 off 전압 상승률과
최초 off 전압값의 영향을 받는다.
trr : 역회복시간(reverse recovery time), tgr
: 게이트회복시간(gate recovery time)
- 게이트의 트리거 특성
a : 최소게이트 전류
b
: 최소게이트 전압
c : 허용최대전압
d : 허용최대전류
e
: 허용최대전력
사선부분 : 트리거되지 않는 영역
- SCR 사이리스터의 Turn-off 방법
- 유지전류
이하의 anode 전류가 될 때
- 소자에 역전압을 인가했을 때
바. 특징 및 용도
사이리스터는 Turn-off 기능이 없는 고내압,대용량화에
적합한 소자로서 동작주파수가 낮은 전력계통에 흔히 사용되며 특히 수십 MW~수백MW의
용량이 필요한 대전력용의 변환기 등에서는 여러개의 소자를 직/병렬로 접속하여
사용하므로 개개의 소자내압 및 전류용량을 크게 할 필요가 있다. 또한 고전압
회로에서 게이트회로의 절연이나 노이즈 문제를 해결하기 위해 광신호 트리거가
가능한 고내압,대용량화한 광사이리스터가 요구되고 있다.
GTO 사이리스터는 자기소호능력을 갖는 고 내압용 소자로서
80년대 초기 2.5KV/0.8A 소자의 개발이래 최근 6KV/6A용이 개발되어 전기차량
및 대용량 산업용 인버터에 널리 사용되고 있다. 이러한 인버터는 종래 수백㎐에서
동작하였지만 장치의 소형화/저소음화를 위해 동작주파수룰 높이는 것이 바람직하나
이때 TURN-OFF 시간의 단축 및 스위칭 손실이 새로운 문제로 대두되고 있다.
- 애노드가 캐소드에 대해 +인 경우 게이트에 적당한
전류를 흐르게 하면 도통되고 일단 도통하면 애노드 전압을 "0"으로
하지 않으면 OFF로 되지 않는다.
- 특징
- 고 전압 대전류 제어가 용이하다
- 제어이득이 높고 Gate신호가 소멸해도 On상태를 유지할 수 있다,
-
수명이 반영구적이다,
- 고 신뢰성,
- 서지전압전류에 강하다,
- 소형경량이며, 기기나 장치의 설치가 용이하다.
- 기계식 접점에 비해 On/Off 주파수 특성이 좋다
- 반도체소자는 고장발생시 전문가의 도움이 필요하다.
- 반도체소자의 급격한 발전으로 부품의 조달이 어려울 수 있다.
- 온,습도에 민감하여 주위온도 배기 환기 등의 세심한 배려가 필요하다.
- 적용
소 전력용에서 대 전력용까지 각종의 제어
정류소자로 널리 사용되고 있다.
사. 사이리스터회로의 설계
1. 사이리스터 전류의 결정방법
사이리스터의 반복 통전전류에 대한 사용가부는 사용조건하의 사이리스터 정합온도가
정격치를 넘는지의 여부로 판정한다.
◆ 사이리스터의 허용전류(평균치)
1) 돌입전류가 없는 경우(히터,솔레노이드부하)
부하전류치 × 1.5 ≤ 사이리스터 허용전류
2) 돌입전류가 있는 경우(백열램프,트랜스,모터부하)
돌입전류가 없는 경우의 계산치에서 2배의 허용전류소자를
사용.
◆ 사이리스터 내압의 선정
1) 피크반복 오프전압은 세트동작중 반복인가되는 전압피크
값보다 높게 선정
2) 피크 비반복 오프전압은 뇌서지 전압이나 세트의 고장에
의해 인가되는 비 반복성의 전압피크 값 보다 높게 선정한다.
상기 기준에 의한 내압선정 값은 일반적으로 사이리스터의
내압은 전원전압 실효치의 2.5배 이상으로 하면 무리가 없다.
◆ 사이리스터의 오동작 대책
사이리스터의 내압을 기준에 따라서 충분히 높게 선정하고 있음에도 불구하고 사이리스터가
잘못 투리거하는 원인으로는 다음의 2개가 고려된다.
1) 전압상승율 dV/dt 가 크고 브레이크 오버전압이 인가전압보다
낮게 되어 있다.
2) 사이리스터의 게이트 노이즈신호가 들어오고 있다.
이에 대한 대책으로는 사이리스터의 양극-음극 사이에 CR
업서버를 접속하고 소자에 인가되는 dV/dt를 감소시키거나, 사이리스터의 게이트-음극
사이에 콘덴서를 접속하고 변위전류를 바이패스 시키고 소자의 VBO의
저하를 막는 방법이 취해진다.
