실리콘 제어 정류기(SCR)는 전기 및 산업 시스템의 고전압 및 전류를 제어하는 데 널리 사용되는 핵심 전력 반도체 장치입니다. 전력을 효율적으로 전환하고 조절하는 기능은 컨버터, 모터 드라이브 및 자동화 회로에 유용합니다. 이 기사에서는 SCR 구성, 작동 원리, 특성, 유형 및 실제 적용을 명확하고 구조화된 방식으로 설명합니다.
씨1. 실리콘 제어 정류기(SCR)란 무엇입니까?
씨2. SCR의 구성 및 상징
씨3. SCR 작동
실리콘 제어 정류기(SCR)란 무엇입니까?
SCR(Silicon Controlled Rectifier)은 전기 회로의 고전압 및 전류를 제어하고 전환하는 데 사용되는 3단자 전력 반도체 장치입니다. 사이리스터 계열의 일원이며 4층 PNPN 구조를 가지고 있습니다. 단순 다이오드와 달리 SCR은 게이트 트리거 신호가 적용될 때만 ON되기 때문에 제어된 스위칭이 가능합니다. 높은 전력 처리 기능과 효율성으로 인해 AC/DC 컨버터, 모터 드라이브, 배터리 충전기 및 산업 자동화에 널리 사용됩니다.
SCR의 구성 및 상징
SCR(Silicon Controlled Rectifier)은 P형 및 N형 반도체 재료의 4개 대체 층을 사용하여 제작되어 J1, J2 및 J3의 3개 접합부가 있는 PNPN 구조를 형성합니다. 세 가지 터미널이 있습니다.
• 양극(A): 외부 P층에 연결됨
• 음극(K): 외부 N층에 연결
• 게이트(G): 내부 P층에 연결되어 트리거링에 사용됩니다.
내부적으로 SCR은 재생 피드백 루프를 형성하는 두 개의 상호 연결된 트랜지스터(PNP 1개와 NPN 1개)로 모델링할 수 있습니다. 이 내부 구조는 게이트 신호가 제거된 후에도 계속 전도되는 SCR의 래칭 동작을 설명합니다.
SCR 기호는 다이오드와 유사하지만 제어를 위한 게이트 단자를 포함합니다. 전류는 장치가 게이트를 통해 트리거될 때 양극에서 음극으로 흐릅니다.
SCR의 작동
SCR은 양극-음극 전압 및 게이트 신호를 기반으로 세 가지 전기 상태에서 작동합니다.
역방향 차단 모드
양극이 음극에 대해 음수로 만들어지면 접합 J1과 J3이 역바이어스됩니다. 작은 누설 전류만 흐릅니다. 역전압 제한을 초과하면 장치가 손상될 수 있습니다.
정방향 차단 모드(OFF 상태)
양극 양극과 음극 음극의 경우 접합부 J1과 J3은 순방향 바이어스이고 J2는 역방향 바이어스입니다. SCR은 순방향 전압이 인가되더라도 이 상태에서 꺼진 상태를 유지하여 트리거가 제공될 때까지 전류 흐름을 방지합니다.
순방향 전도 모드(ON 상태)
순방향 바이어스에 게이트 펄스를 적용하면 정방향 바이어스 접합 J2를 하는 반송파가 주입되어 전도가 가능합니다. ON이 켜지면 SCR은 전류가 유지 전류 이상으로 유지되는 한 게이트 신호가 제거된 후에도 래치되고 계속 전도됩니다.
SCR의 VI 특성
V-I 특성은 장치 전류가 다양한 작동 영역에서 인가 전압에 반응하는 방식을 정의합니다.
• 역방향 차단 영역: 항장이 발생할 때까지 역방향 바이어스 하에서 최소 전류가 흐릅니다.
• 순방향 차단 영역: 순방향 전압은 증가하지만 순방향 차단 전압(VBO)에 도달할 때까지 전류는 낮게 유지됩니다.
• 순방향 전도 영역: 게이트 펄스에 의해 트리거된 후 SCR은 작은 순방향 전압 강하(1-2V)로 낮은 저항 ON 상태로 빠르게 전환됩니다.
게이트 전류를 증가시키면 순방향 브레이크오버 전압이 낮아져 더 일찍 켜질 수 있습니다. 이는 위상 제어 AC 회로에 유용합니다.
SCR의 스위칭 특성
스위칭 특성은 OFF와 ON 상태 사이의 전환 중 SCR의 동작을 설명합니다.
• 켜기 시간(톤): 게이트 펄스 후 SCR이 OFF에서 ON으로 완전히 전환되는 데 필요한 시간입니다. 지연 시간, 상승 시간 및 확산 시간으로 구성됩니다. 더 빠른 켜짐은 컨버터와 인버터의 효율적인 스위칭을 보장합니다.
• Turn-OFF Time (tq) : 전도가 중지 된 후 SCR은 저장된 전하 캐리어로 인해 순방향 차단 능력을 회복하는 데 시간이 필요합니다. 이 지연은 고주파 애플리케이션에서 요구되며 DC 시스템에는 외부 정류 회로가 필요합니다.
SCR의 종류
SCR은 다양한 전압, 전류 및 스위칭 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 구성 스타일과 성능 등급으로 제공됩니다. 다음은 요청에 따라 표 형식을 사용하지 않고 설명된 SCR의 주요 유형입니다.
개별 플라스틱 SCR
이것은 일반적으로 TO-92, TO-126 또는 TO-220 케이스로 패키징된 소형 저전력 SCR입니다. 경제적이며 저전류 전자 회로에 일반적으로 사용됩니다. 이 SCR은 간단한 AC 스위칭, 저전력 제어 시스템, 조광기 및 배터리 충전기 회로에 이상적입니다.
플라스틱 모듈 SCR
이 유형은 중간 및 고전류 처리를 위해 설계되었습니다. 전기 절연 및 쉬운 장착을 제공하는 소형 플라스틱 모듈로 둘러싸여 있습니다. 이러한 SCR은 UPS 시스템, 산업용 전력 제어 장치, 용접기 및 모터 속도 컨트롤러에 널리 사용됩니다.
프레스 팩 SCR
프레스 팩 SCR은 견고한 금속 디스크와 같은 패키지에 내장된 견고한 장치입니다. 우수한 열 성능과 고전류 성능을 제공하며 납땜이 필요하지 않습니다. 대신, 압력이 가해지는 방열판 사이에 고정되어 산업용 드라이브, 견인 시스템, HVDC 송전 및 전력망과 같은 고신뢰성 애플리케이션에 적합합니다.
고속 스위칭 SCR
인버터급 SCR이라고도 하는 고속 스위칭 SCR은 더 높은 주파수에서 작동하는 회로용으로 설계되었습니다. 표준 SCR에 비해 턴오프 시간이 짧고 스위칭 손실이 적습니다. 이러한 장치는 일반적으로 초퍼, DC-DC 컨버터, 고주파 인버터 및 펄스 전원 공급 장치에 사용됩니다.
SCR의 켜기 방법
SCR을 전도로 트리거하는 다양한 방법은 다음과 같습니다.
게이트 트리거링(가장 일반적): 저전력 게이트 펄스가 제어된 방식으로 SCR을 켭니다. 대부분의 산업 응용 분야에 사용됩니다.
순방향 전압 트리거링: 순방향 전압이 브레이크오버 전압을 초과하면 SCR은 게이트 펄스 없이 켜지며 일반적으로 장치에 가해지는 스트레스로 인해 피됩니다.
열 트리거링(원치 않는 것): 과도한 온도로 인해 의도치 않게 전도가 시작될 수 있습니다. 부적절한 냉각은 피해야 합니다.
광 트리거링(LASCR): 빛에 민감한 SCR은 광자를 사용하여 고전압 절연 애플리케이션에서 전도를 트리거합니다.
dv/dt 트리거링(원치 않음): 순방향 전압의 급격한 상승은 접합 용량으로 인해 우발적인 켜짐을 유발할 수 있습니다. 스너버 회로는 이를 방지합니다.
SCR의 장점과 한계
SCR의 장점
• 고전력 및 전압 처리: SCR은 종종 수백에서 수천 볼트 및 암페어 범위의 대량의 전력을 제어할 수 있으므로 모터 드라이브, HVDC 전송 및 전력 변환기와 같은 중공업 응용 분야에 적합합니다.
• 고효율 및 낮은 전도 손실: SCR이 켜지면 매우 작은 전압 강하(일반적으로 1-2V)로 전도되므로 전력 손실이 낮고 작동 효율이 높습니다.
• 작은 게이트 전류 요구 사항: 이 장치는 게이트 단자에서 작은 트리거링 전류만 있으면 켜지므로 간단한 저전력 제어 회로가 고전력 부하를 전환할 수 있습니다.
• 견고한 구조와 비용 효율적인 설계: SCR은 기계적으로 견고하고 열적으로 안정적이며 높은 서지 전류를 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 내부 구조가 단순하기 때문에 다른 전력 반도체 스위치에 비해 상대적으로 저렴합니다.
• AC 전원 제어에 적합: SCR은 AC 전류가 0을 초과할 때 자연적으로 꺼지기 때문에(자연 정류) 조광기, 히터 컨트롤러 및 AC 전압 조정기와 같은 AC 위상 제어 애플리케이션에 이상적입니다.
SCR의 한계
• 단방향 전도: SCR은 순방향으로만 전류를 전도합니다. 다이오드와 같은 추가 구성 요소와 함께 사용하지 않는 한 역전류를 효과적으로 차단할 수 없으므로 일부 AC 제어 회로에서의 사용이 제한됩니다.
• 게이트 단자를 사용하여 끌 수 없음: SCR은 게이트를 통해 ON을 트리거할 수 있지만 꺼짐을 위한 게이트 신호에는 응답하지 않습니다. 전류가 유지 전류 아래로 떨어지거나 DC 회로에서 강제 정류 기술을 사용해야 합니다.
• DC 애플리케이션에 정류 회로 필요: 순수 DC 회로에서 SCR은 꺼질 수 있는 자연 전류 영점을 얻지 못합니다. 외부 정류 회로가 필요하므로 회로 복잡성과 비용이 증가합니다.
• 제한된 스위칭 속도: SCR은 MOSFET 또는 IGBT와 같은 최신 반도체 스위치에 비해 상대적으로 느립니다. 따라서 고주파 스위칭 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.
• 높은 dv/dt 및 과전압 조건에 민감: SCR 양단의 전압이 급격히 상승하거나 과도한 과도 전압이 발생하면 잘못된 턴-온이 발생하여 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다. 실화 및 장치 고장을 방지하기 위해 스너버 회로와 적절한 보호 부품이 필요합니다.
SCR의 응용
• 제어 정류기(AC-DC 컨버터) – 배터리 충전 및 가변 DC 공급 장치에 사용됩니다.
• AC 전압 컨트롤러 – 조광기, 팬 속도 제어 장치 및 히터 조절기.
• DC 모터 속도 제어 – 가변 속도 DC 드라이브에 사용됩니다.
• 인버터 및 컨버터 – DC-AC 전력 변환용.
• 과전압 보호(지렛대 회로) – 전압 서지로부터 전원 공급 장치를 보호합니다.
• 정적 스위치 / 솔리드 스테이트 릴레이 – 기계적 마모 없이 빠른 스위칭.
• 전력 조절기 – 유도 가열 및 산업용 용광로에 사용됩니다.
• 모터용 소프트 스타터 – 모터 시동 중 돌입 전류를 제어합니다.
• 송전 시스템 – HVDC(고전압 직류) 시스템에 사용됩니다.
SCR과 GTO 비교
GTO(Gate Turn-Off 사이리스터)는 사이리스터 제품군의 또 다른 구성원이며 종종 SCR과 비교됩니다.
| 매개변수 | SCR(실리콘 제어 정류기) | GTO(게이트 턴오프 사이리스터) |
|---|---|---|
| 끄기 제어 | 외부 정류 필요 | 게이트 신호로 OFF 가능 |
| 게이트 전류 | 작은 펄스 필요 | 높은 게이트 전류 필요 |
| 스위칭 | 게이트 켜기만 켜짐 | 게이트 켜기 및 끄기 |
| 스위칭 속도 | 보통 | 더 빠름 |
| 파워 핸들링 | 매우 높음 | 높음 |
| 비용 | 낮음 | 비싼 |
| 신청 | 제어 정류기, AC 컨트롤러 | 인버터, 초퍼, 고주파 드라이브 |
저항계로 SCR 테스트
전원 회로에 SCR을 설치하기 전에 전기적으로 정상인지 확인하는 것이 중요합니다. SCR에 결함이 있으면 단락이 발생하거나 전체 시스템이 고장날 수 있습니다. 기본 테스트는 검증 트리거를 위한 소형 DC 공급 장치와 함께 디지털 또는 아날로그 멀티미터를 사용하여 수행할 수 있습니다.
1 게이트-음극 접합 테스트
게이트 접합이 다이오드처럼 작동하는지 확인합니다.
• 멀티미터를 다이오드 테스트 모드로 설정
• 양극(+) 프로브를 게이트(G)에 연결하고 음극(-) 프로브를 음극(K)에 연결합니다. 정상 판독값은 0.5V에서 0.7V 사이의 순방향 전압 강하를 보여줍니다.
• 프로브를 반대로 합니다(+에서 K로, –에서 G로). 미터는 OL(개방 루프) 또는 매우 높은 저항을 표시해야 합니다
양극-음극 차단 테스트
이렇게 하면 SCR이 내부적으로 단락되지 않습니다.
• 멀티미터를 다이오드 모드 또는 저항 모드로 유지
• + 프로브를 양극(A)에 연결하고 – 프로브를 음극(K)에 연결합니다. SCR은 전류를 차단하고 개방 회로(전도 없음)를 표시해야 합니다.
• 프로브를 반대로 합니다(+에서 K로, –에서 A로). 읽기는 여전히 개방 회로여야 합니다.
SCR 트리거링(래칭) 테스트
이렇게 하면 SCR이 켜지고 제대로 래치될 수 있는지 확인합니다.
• 1kΩ 저항이 직렬로 연결된 6V 또는 9V 배터리 사용
• 배터리 +를 양극(A)에 연결하고 배터리 –를 음극(K)에 연결합니다.
• 100–220Ω 저항을 통해 게이트(G)를 양극에 간략하게 연결합니다. SCR은 켜지고 래치되어 게이트 연결을 제거한 후에도 전류가 흐르도록 해야 합니다.
• 전원을 끄려면 전원을 차단하십시오 - SCR의 래치가 해제됩니다.
결론
실리콘 제어 정류기는 효율성, 높은 신뢰성 및 큰 전기 부하를 처리할 수 있는 능력으로 인해 전력 제어 시스템의 핵심 구성 요소로 남아 있습니다. AC 전압 조정부터 DC 모터 제어 및 산업용 변환 시스템에 이르기까지 SCR은 전기 공학에서 계속해서 중요한 역할을 하고 있습니다. SCR 기본 사항을 확실하게 이해하면 안전하고 효율적인 전력 전자 회로를 설계하는 데 도움이 됩니다.
자주 묻는 질문 [FAQ]
SCR과 TRIAC의 차이점은 무엇입니까?
TRIAC은 양방향으로 전류를 전도할 수 있으며 조광기 및 팬 조정기와 같은 AC 제어 애플리케이션에 사용됩니다. SCR은 한 방향으로만 전류를 전도하며 주로 DC 제어 또는 정류에 사용됩니다.
SCR에 정류 회로가 필요한 이유는 무엇입니까?
DC 회로에서 SCR은 게이트 단자만으로는 OFF할 수 없습니다. 정류 회로는 전류가 유지 전류 아래로 떨어지도록 강제하여 SCR이 안전하게 꺼지는 데 도움이 됩니다.
SCR이 실패하는 원인은 무엇입니까?
SCR 고장은 일반적으로 과전압, 높은 서지 전류, 부적절한 열 방출 또는 dv/dt 트리거 잘못된 스위칭으로 인해 발생합니다. 스너버 회로와 방열판을 사용하면 고장을 방지하는 데 도움이 됩니다.
SCR이 AC 전원을 제어할 수 있습니까?
예, SCR은 위상각 제어를 사용하여 AC 전원을 제어할 수 있습니다. 각 AC 사이클 동안 게이트 신호의 발사 각도를 지연시킴으로써 부하에 전달되는 출력 전압과 전력을 조정할 수 있습니다.
SCR의 유지 전류는 얼마입니까?
유지 전류는 SCR을 ON 상태로 유지하는 데 필요한 최소 전류입니다. 전류가 이 수준 아래로 떨어지면 SCR은 이전에 트리거된 경우에도 자동으로 꺼집니다.