電化洞察：シリコン制御整流器のマスター（SCRS）
2024-05-24 6193

シリコン制御整流器（SCRS）は、最新の電子機器の効率的な電力制御スイッチとして機能します。それらは、一元配置電流の流れを可能にする追加のゲート端子を含む独自のシンボルによって識別されます。SCRを完全に理解することで、電子設計への効果的な統合が可能になります。このパッセージポストは、SCRSの詳細な構造を掘り下げ、使用される各層と材料を調べます。ゲート端子をトリガーする方法が電流の流れを制御する方法など、運用モードを説明します。表面マウントからスルーホールタイプまで、さまざまなSCRパッケージも議論されており、特定のアプリケーションに適したアプリケーションを選択することに関する実用的な洞察を提供します。このガイドに従うことにより、高度な電子システムのSCRSを効果的に活用するように装備されます。

カタログ

図1：SCRシンボルとその端子

シリコン制御整流記号

シリコン制御整流器（SCR）シンボルには、ダイオードシンボルに似ていますが、追加のゲート端子が含まれています。この設計は、電子（a）からカソード（k）まで電流が一方向に流れるようにするSCRの能力を強調しています。3つの重要な端子は次のとおりです。

ANODE（A）：SCRが前方バイアスになったときに電流が入る端子。

カソード（k）：電流が出る端子。

ゲート（g）：scrをトリガーする制御端子。

SCRシンボルは、同様のスイッチング特性を持つサイリスタにも使用されます。適切なバイアスと制御方法は、シンボルの理解に依存します。この基礎知​​識は、デバイスの構造と操作を調査する前に不可欠であり、さまざまな電気回路での効果的な使用を可能にします。

シリコン制御整流器構造

シリコン制御整流器（SCR）は、p型材料とn型材料を交互に行う4層半導体デバイスであり、J1、J2、およびJ3の3つのジャンクションを形成します。その建設と操作を詳細に分解しましょう。

層構成

外層：外側のPおよびN層には、電気導電率を高め、耐性を低下させるために、不純物が大きくドープされています。この重いドーピングにより、これらのレイヤーは高電流を効率的に実行することができ、大規模な電力負荷の管理におけるSCRの性能が向上します。

中間層：内側のpとnの層は軽くドープされているため、不純物が少ないことを意味します。この軽いドーピングは、モバイル電荷キャリアが存在しない半導体内の枯渇領域の形成を可能にするため、電流の流れを制御するために重要です。これらの枯渇領域は、電流の流れを制御する上で重要であり、SCRが正確なスイッチとして機能するようにします。

図2：ScrのPおよびN層

端子接続

ゲート端子：ゲート端子は中央のP層に接続します。ゲートに小さな電流を適用すると、SCRがトリガーされ、より大きな電流がアノードからカソードに流れるようになります。トリガーされると、アノードとカソードの間に十分な電圧があれば、ゲート電流が削除されていても、SCRはオンのままです。

アノード端子：アノード端子は外側のP層に接続し、主電流のエントリポイントとして機能します。SCRが実行するためには、アノードはカソードよりも高いポテンシャルでなければならず、ゲートはトリガー電流を受け取る必要があります。伝導状態では、電流はアノードからSCRを通ってカソードに流れます。

カソード端子：カソード端子は外側N層に接続し、電流の出口ポイントとして機能します。SCRが通信されると、カソードは電流がアノードからカソードまで正しい方向に流れるようにします。

図3：ゲート、アノード、カソード端末

物質的な選択

シリコンは、いくつかの利点があるため、SCR構造にはゲルマニウムよりも優先されます。

漏れ電流の低下：シリコンの内因性キャリア濃度は低く、漏れ電流が減少します。これは、特に高温環境で効率と信頼性を維持するために不可欠です。

より高い熱安定性：シリコンはゲルマニウムよりも高い温度で動作する可能性があるため、かなりの熱が発生する高出力用途により適しています。

より良い電気的特性：より広いバンドギャップ（シリコンで1.1 eV対ゲルマニウムの0.66 eV）を使用すると、シリコンは、さまざまな条件下での故障電圧やより堅牢な動作など、より高い電気性能を提供します。

可用性とコスト：シリコンはゲルマニウムよりも豊富で安価です。確立されたシリコン業界は、費用対効果の高いスケーラブルな製造プロセスを可能にします。

図4：シリコン

ゲルマニウムはどうですか？

ゲルマニウムにはシリコンと比較していくつかの欠点があり、多くのアプリケーションにはそれほど適していません。ゲルマニウムは、シリコンほど効果的に高温に耐えることができません。これにより、有意な熱が発生する高出力アプリケーションでの使用が制限されます。その後、ゲルマニウムは固有のキャリア濃度が高く、漏れ電流が高くなります。これにより、特に高温条件では、電力損失が増加し、効率が低下します。これに加えて、ゲルマニウムは半導体デバイスの初期に使用されました。ただし、熱安定性と漏れ電流の制限により、シリコンが広く採用されました。シリコンの優れた特性により、ほとんどの半導体アプリケーションよりも優先材料になりました。

図5：ゲルマニウム

SCR構造の種類

平面建設

平面建設は、低電力レベルを処理するデバイスに最適ですが、高性能と信頼性を提供します。

平面構造では、通常はシリコンである半導体材料が、不純物（ドーパント）が導入され、p型領域とn型領域を形成する拡散プロセスを受けます。これらのドーパントは、単一の平らな平面で拡散しているため、均一で制御された接合部が形成されます。

平面構造の利点には、ジャンクション全体に均一な電界の作成が含まれます。これにより、潜在的なV ariatイオンと電気ノイズが減少し、デバイスの性能と信頼性が向上します。すべての接合部が単一の平面で形成されるため、製造プロセスが合理化され、フォトリソグラフィーとエッチングステップが簡素化されます。これにより、複雑さとコストを削減するだけでなく、必要な構造を一貫して制御および再現しやすくすることで、降伏率を向上させます。

図6：平面SCRプロセス

メサ建設

MESA SCRSは、高出力環境向けに構築されており、モーター制御や電力変換などの産業用途で一般的に使用されています。

SCRの2番目のP-N接合部であるJ2ジャンクションは、拡散を使用して作成され、ドーパント原子がシリコンウェーハに導入され、必要なP型およびN型領域が形成されます。このプロセスにより、ジャンクションの特性を正確に制御できます。外側のPおよびN層は、合金プロセスを通じて形成されます。このプロセスでは、目的のドーパントを含む材料がシリコンウェーハに溶け、堅牢で耐久性のある層が作成されます。

MESA構造の利点には、拡散と合金によって形成される堅牢な接合部のおかげで、分解せずに高電流と電圧を管理する能力が含まれます。強力で耐久性のある設計により、SCRの大電流を効率的に処理する能力が向上し、高出力アプリケーションに信頼性が高くなります。さらに、さまざまな高出力アプリケーションに適しており、さまざまな業界に多才な選択肢を提供します。

図7：Mesa SCRプロセス

外部構造

SCRの外部構造は、耐久性、効果的な熱管理、およびパワーエレクトロニクスへの統合の容易さに焦点を当てています。通常、より大きな端子またはタブであるアノード端子は、高電流を処理するように設計されており、電源の正の側面に接続されています。電源または負荷の負の側面に接続されたカソード端子は、高電流処理用に設計されており、マークされています。SCRを伝導にトリガーするために使用されるゲート端子は通常小さく、過度の電流または電圧による損傷を避けるために慎重な取り扱いが必要です。

外部構造におけるSCRの利点には、他の多くの半導体デバイスを超えた電力レベルを管理するモーターコントロール、電源、大規模整流器などの産業用途への適合性が含まれます。彼らの低い州の電圧降下は、電力散逸を最小限に抑え、エネルギー効率の高いアプリケーションに最適です。GATE端子を介した単純なトリガーメカニズムにより、制御回路とシステムに簡単に統合できます。さらに、それらの広範な可用性と成熟した製造プロセスは、その費用対効果に貢献しています。

要約すると、これらの異なるタイプのSCR構造を使用する場合、さまざまな状況に適したSCR構造を選択できます。

平面建設：低電力アプリケーションに最適です。電気ノイズの低減と一貫した性能を必要とする回路では必要です。

MESA構造：高出力アプリケーションの場合、熱散逸のニーズと堅牢な設計要件に注意してください。SCRが過熱することなく、予想される電流レベルと電圧レベルを処理できることを確認してください。

外部構造：ターミナル、特にゲート端子を慎重に処理します。接続が安全であり、高電流のフローを効率的に管理するように設計されていることを確認してください。

図8：外部建設プロセス

運用上の洞察

SCRの4層構造はNPNPまたはPNPN構成を形成し、一度トリガーされると再生フィードバックループを作成し、電流が特定のしきい値を下回るまで伝導を維持します。SCRをトリガーするには、小さな電流をゲート端子に適用し、J2ジャンクションの故障を開始し、電源からカソードに流れるようにします。効果的な熱管理は高出力SCRSにとって重要であり、堅牢なヒートシンク接続を備えたプレスパック構造を使用すると、効率的な熱放散が保証され、熱の暴走を防ぎ、デバイスの寿命が強化されます。

図9：NPNおよびPNP

シリコン制御整流器の一次モード

シリコン制御整流器（SCR）は、前方ブロック、前方伝導、逆ブロックの3つの主要なモードで動作します。

フォワードブロッキングモード

フォワードブロッキングモードでは、アノードはカソードに対して正であり、ゲート端子は開いたままです。この状態では、わずかな漏れ電流のみがSCRを通過し、高い抵抗を維持し、大幅な電流流を防ぎます。SCRは開いたスイッチのように動作し、印加電圧がブレークオーバー電圧を超えるまで電流をブロックします。

図10：SCRを通る流れ

順方向伝導モード

順方向伝導モードでは、SCRはオン状態で実施および動作します。このモードは、分解電圧を超えて前方バイアス電圧を上げるか、ゲート端子に正の電圧を適用することにより実現できます。前方のバイアス電圧を上げると、接合部が雪崩の故障を起こし、有意な電流が流れます。低電圧アプリケーションの場合、正のゲート電圧を適用することがより実用的であり、SCRを前方バイアスにすることで伝導を開始します。SCRが導通を開始すると、電流が保持電流（IL）を超えている限り、この状態に残ります。電流がこのレベルを下回ると、SCRはブロッキング状態に戻ります。

図11：SCR伝導

逆ブロッキングモード

逆ブロッキングモードでは、カソードはアノードに対して正です。この構成により、SCRを介してわずかな漏れ電流のみが可能になり、オンにするには不十分です。SCRは高インピーダンス状態を維持し、オープンスイッチとして機能します。逆電圧がブレークダウン電圧（VBR）を超えると、SCRは雪崩の故障を受け、逆電流を大幅に増加させ、デバイスを潜在的に損傷します。

図12;SCRリバースブロッキングモード

さまざまな種類のSCRとパッケージ

シリコン制御整流器（SCR）には、それぞれが電流と電圧の取り扱い、熱管理、および取り付けオプションに基づいて特定のアプリケーションに合わせて調整されたさまざまなタイプとパッケージがあります。

離散プラスチック

個別のプラスチックパッケージには、プラスチック製の半導体から伸びる3つのピンがあります。これらの経済的な平面SCRは、通常、最大25aと1000Vをサポートします。これらは、複数のコンポーネントを備えた回路に簡単に統合できるように設計されています。設置中に、適切なピンアラインメントとPCBへの保護されたはんだ付けを確保して、信頼できる電気接続と熱安定性を維持します。これらのSCRは、コンパクトなサイズとコスト効率が不可欠な低〜中電力アプリケーションに最適です。

プラスチックモジュール

プラスチックモジュールには、単一のモジュール内の複数のデバイスが含まれており、最大100Aの電流をサポートしています。これらのモジュールは回路の統合を強化し、熱管理を改善するためにヒートシンクに直接ボルトで固定できます。取り付けるときは、モジュールとヒートシンクの間に熱化合物の均一な層を適用して、熱散逸を強化します。これらのモジュールは、スペースと熱効率が重要な中程度から高出力アプリケーションに適しています。

スタッドベース

スタッドベースSCRSは、安全な取り付け用のねじれたベースを備えており、低熱抵抗と簡単な設置を提供します。5Aから150Aの範囲の電流を完全な電圧機能でサポートしています。ただし、これらのSCRはヒートシンクから簡単に分離することはできないため、意図しない電気接続を避けるために、熱設計中にこれを考慮してください。スタッドを締めるときは適切なトルク仕様に従って、損傷を避け、最適な熱接触を確保します。

図13：数距離のSCRスタッドベース

フラットベース

フラットベースSCRSは、スタッドベースSCRの取り付け容易さと低い熱抵抗を提供しますが、ヒートシンクからSCRを電気的に分離するための断熱材が含まれています。この機能は、効率的な熱管理を維持しながら、電気分離を必要とするアプリケーションでは重要です。これらのSCRは、10aから400aの間の電流をサポートします。設置中に、断熱層が無傷のままであり、電気的分離を維持するために損傷を受けていないことを確認してください。

プレスパック

プレスパックSCRSは、高電流（200A以上）および高電圧アプリケーション（1200Vを超える）用に設計されています。それらはセラミックエンベロープに包まれており、優れた電気分離と優れた熱抵抗を提供します。これらのSCRは、特別に設計されたクランプを使用して通常達成される適切な電気接触と熱伝導率を確保するために、正確な機械的圧力を必要とします。セラミックケーシングは、機械的応力と熱サイクリングからデバイスを保護し、信頼性と耐久性が最も重要な産業および高出力アプリケーションに適しています。

実用的な操作洞察：

個別のプラスチックSCRSを使用する場合は、正確なピンアライメントと安定した接続のためのはんだ付けに焦点を当てます。プラスチックモジュールの場合、最適な熱散逸のために熱化合物を均等に用意してください。スタッドベースSCRSを使用すると、トルク仕様に従って損傷を避け、効果的な熱接触を実現します。平らなベースSCRの場合、断熱層の完全性を維持して、電気分離を確保します。最後に、プレスパックSCRSを使用して、特殊なクランプを使用して正しい機械的圧力を適用して、適切な接触と熱管理を確保します。

シリコン制御整流器の開口方法

図14：SCR操作がオンになります

SCR伝導を活性化するには、アノード電流は臨界しきい値を超える必要があります。これは、ゲート電流（Ig）を増やして再生作用を開始することで達成されます。

ゲートとカソードが回路に正しく接続されていることを確認し、すべての接続が安全であることを確認して、ゆるい接点や誤解を避けることを確認します。高温はSCRの性能に影響を与える可能性があるため、周囲と接合の両方の温度を監視し、適切な冷却または熱散逸測定が必要です。

次に、正確な電流ソースを使用して制御されたゲート電流（IG）の適用を開始し、IGを徐々に増やしてSCRの応答を滑らかな遷移と簡単に監視できるようにします。IGが徐々に増加すると、アノード電流の初期上昇を観察し、GATE電流に対するSCRの応答を示します。再生作用が観察されるまでIgを増加させ続け、陽極電流の大幅な上昇によってマークされ、SCRが伝導モードに入っていることを示しています。不必要な電力散逸や潜在的な損傷を防ぐために、ゲートをオーバーすることなく、伝導を維持するのに十分な電流を維持します。アノードとカソードの間に適切な電圧が適用されていることを確認し、特定のアプリケーションに意図的に必要とされない限り、ブレークオーバーポイントを超えないようにこの電圧を監視します。

最後に、SCRが伝導モードにラッチされていることを確認します。これは、ゲート電流が縮小されていても残ります。必要に応じて、陽極電流が保持電流レベルを下回るまで伝導にとどまるため、SCRがラッチしていることを確認した後、ゲート電流（IG）を減らします。

シリコン制御整流器の閉鎖方法

図15：SCR操作がオフになっています

シリコン制御整流器（SCR）の電源を切るには、整流点を保持電流レベル以下で削減することが含まれます。これは、整流と呼ばれるプロセスです。整流には、自然と強制という2つの主要なタイプがあります。

AC供給電流が自然にゼロになると自然の整流が発生し、SCRがオフになるようにします。この方法は、電流が定期的にゼロを通過するAC回路に固有のものです。実際には、電圧と電流波形が定期的にゼロに達するAC回路を想像してください。現在のものがゼロに近づくと、SCRは外部の介入なしに自然に実施し、オフにすることをやめます。これは、標準のAC電源アプリケーションでよく見られます。

強制整流は、陽極電流を積極的に減らしてSCRをオフにします。この方法は、電流が自然にゼロに落ちないDC回路または状況に必要です。これを達成するために、外部回路は瞬間的に電流をSCRから離して迂回するか、逆バイアスを導入します。たとえば、DC回路では、コンデンサやインダクタなどのコンポーネントを含む整流回路を使用して、SCR全体に瞬間的な逆電圧を作成する場合があります。このアクションにより、アノード電流は保持レベルを下回り、SCRをオフにします。この手法には、信頼できる操作を確保するために、正確なタイミングと制御が必要です。

シリコン制御整流器の利点

高効率とノイズレス操作

SCRは機械的成分なしで動作し、摩擦と摩耗を排除します。これにより、ノイズレスの動作が発生し、信頼性と寿命が向上します。適切なヒートシンクを装備した場合、SCRは熱散逸を効率的に管理し、さまざまな用途で高い効率を維持します。機械的ノイズが破壊的になる静かな環境にSCRを設置することを想像してください。SCRのサイレント操作は大きな利点になります。さらに、拡張操作中に、機械式摩耗がないことで、メンテナンスのニーズが少なく、寿命が長くなります。

非常に高いスイッチング速度

SCRSはナノ秒以内にオンとオフを切り替えることができ、迅速な応答時間を必要とするアプリケーションに最適です。この高速スイッチングにより、複雑な電子システムでの電力供給を正確に制御できます。たとえば、高周波電源では、切り替える機能により、システムが荷重条件の変化にほぼ瞬時に応答し、安定した出力を維持できるようになります。

高電圧と電流定格の処理

SCRは、大きな電圧と電流を制御するために小さなゲート電流のみを必要とするため、電力管理において非常に効率的です。高電力負荷を管理することができ、高電圧と電流が一般的な産業用途に適しています。

コンパクトサイズ

SCRのサイズが小さいため、さまざまな回路設計に簡単に統合できるようになり、設計の柔軟性が向上します。彼らのコンパクトで堅牢な性質は、要求の厳しい条件であっても、長期にわたって信頼できるパフォーマンスを保証します。実際には、これは、密集したコントロールパネルでは、重要なスペースを必要とせずにSCRSを簡単に取り付けることができ、より合理化された効率的なデザインを可能にすることを意味します。

シリコン制御整流器の短所

単方向電流流

SCRは電流を一方向にのみ伝達し、双方向電流の流れを必要とするアプリケーションに適さないようにします。これにより、インバーター回路やACモータードライブなど、双方向制御が必要なAC回路での使用が制限されます。

ゲート電流要件

SCRをオンにするには、十分なゲート電流が必要であるため、追加のゲートドライブ回路が必要です。これにより、システム全体の複雑さとコストが増加します。実際のアプリケーションでは、ゲート電流が適切に提供されるようにするには、障害のトリガーを避けるために、正確な計算と信頼できるコンポーネントが含まれます。

スイッチング速度

SCRは、トランジスタなどの他の半導体デバイスと比較して、切り替え速度が比較的遅く、高周波アプリケーションには適していません。たとえば、高速スイッチング電源では、SCRのスイッチング速度が遅いため、非効率性と熱管理要件が増加する可能性があります。

ターンオフ時間

電源が入ると、SCRSは、電流が特定のしきい値を下回るまで伝導し続けます。この特性は、位相制御された整流器など、ターンオフ時間の正確な制御が必要な回路の欠点となる可能性があります。オペレーターは、多くの場合、SCRを強制的にオフにするために複雑な整流回路を設計する必要があり、システム全体の複雑さを増します。

熱散逸

SCRは、特に高電流を処理する場合、操作中に大幅な熱を生成します。ヒートシンクや冷却ファンなどの適切な冷却および熱散逸メカニズムが必要です。

ラッチング効果

SCRがオンになった後、それは伝導状態にラッチし、ゲート信号によってオフにすることはできません。電流は、SCRをオフにするために保持電流の下に外部から縮小する必要があります。この動作は、特に現在のレベルを正確に制御することが不可欠な可変負荷アプリケーションで、制御回路を複雑にします。このようなシナリオでは、エンジニアはSCRをオフにするために必要なときに電流を確実に減らすことができる回路を設計する必要があります。

整流要件

AC回路では、各ハーフサイクルの終わりにSCRをcomutateする（オフ）する必要があり、共鳴回路や強制整流技術などの追加の整流回路が必要です。これにより、システムに複雑さとコストが追加されます。

DV/DTおよびDI/DTに対する感度

SCRは、電圧（DV/DT）および電流（DI/DT）の変化速度に敏感です。急速な変化は、SCRを不注意に引き起こす可能性があり、そのようなイベントから保護するためにスナバー回路を使用する必要があります。設計者は、特に騒々しい電気環境では、誤ったトリガーを防ぐために、スナッバーサーキットが適切にサイズになり、構成されていることを確認する必要があります。

ノイズ感度

SCRSは、誤ったトリガーを引き起こす可能性がある電気ノイズに敏感である可能性があります。これには、信頼できる動作を確保するために、コンデンサやインダクタなどの慎重な設計と追加のフィルタリングコンポーネントが必要です。

結論

SCRSの理解には、シンボル、層の構成、端子接続、および材料の選択を調べ、高電流と電圧の管理における精度を強調します。個別のプラスチックからプレスパックまで、特定のアプリケーションに対応し、適切な設置と熱管理を強調したさまざまなSCRパッケージ。動作モード（フォワードブロッキング、順方向伝導、逆ブロック）は、さまざまな回路構成で電力を調節する能力を促進します。SCRの活性化と非アクティブ化技術のマスタリングにより、電力制御システムで信頼できるパフォーマンスが保証されます。SCRの高効率、迅速なスイッチング、コンパクトサイズにより、産業用電子機器と家電製品の両方に不可欠であり、パワーエレクトロニクスの大幅な進歩を表しています。

よくある質問[FAQ]

1.シリコン制御整流器（SCR）とは何ですか？

SCRは、電気回路の電力を制御するために使用されます。電流の流れをオンとオフにできるスイッチとして機能します。一般的なアプリケーションには、モーター速度の調節、光調光器の制御、ヒーターや工業機械の電力の管理が含まれます。SCRが小さな入力信号によってトリガーされると、より大きな電流が流れるようになり、高出力アプリケーションで効果的になります。

2. SCRでシリコンが使用されるのはなぜですか？

シリコンは、その好ましい電気特性のためにSCRSで使用されます。故障電圧が高く、熱安定性が良好で、高流と電力レベルを処理できます。シリコンは、正確に制御できるコンパクトで信頼性の高い半導体デバイスの作成も可能にします。

3. SCRコントロールはACまたはDCですか？

SCRSはAC電力とDC電力の両方を制御できますが、ACアプリケーションでより一般的に使用されています。AC回路では、SCRSは電圧の位相角を制御し、それにより荷重に供給される電力を調整できます。この位相制御は、光調光やモーター速度の調節などのアプリケーションに不可欠です。

4. SCRが機能しているかどうかをどのようにして知ることができますか？

SCRが機能しているかどうかを確認するには、いくつかのテストを実行できます。まず、目視検査。火傷や亀裂などの物理的な損傷を探してください。次に、マルチメーターを使用して、前方と逆抵抗を確認します。SCRは、トリガーされたときに逆抵抗と前方の低抵抗で高い抵抗を示す必要があります。次に、小さなゲート電流を適用し、SCRがアノードとカソードの間で動作するかどうかを確認します。ゲート信号が削除されると、SCRが正しく機能している場合は、SCRが実行を続ける必要があります。

5. SCR障害の原因は何ですか？

SCR故障の一般的な原因は、過電圧、過電流、ゲート信号の問題、熱応力です。過度の電圧は、半導体材料を分解する可能性があります。電流が多すぎると、デバイスが過熱して損傷する可能性があります。繰り返し加熱および冷却サイクルは、機械的なストレスを引き起こし、故障につながる可能性があります。不適切または不十分なゲート信号は、適切な動作を防ぐことができます。

6. SCRの最小電圧はいくらですか？

ゲートトリガー電圧と呼ばれるSCRをトリガーするのに必要な最小電圧は、通常、約0.6〜1.5ボルトです。この小さな電圧は、SCRをオンにするのに十分であり、アノードとカソードの間にはるかに大きな電流を伝達できるようにします。

7. SCRの例は何ですか？

SCRの実用的な例は2N6509です。このSCRは、光調光器、モーター速度制御、電源など、さまざまな電源制御アプリケーションで使用されます。800Vのピーク電圧と25Aの連続電流を処理でき、産業用および家電に適しています。