サイリスタの基礎

サイリスタは、一般にシリコン制御整流器 (SCR) と呼ばれ、さまざまなパワーエレクトロニクスのアプリケーションに非常に適した独自の特徴を有する半導体デバイスです。

サイリスタの構造

サイリスタは、3つの端子と、PNPN構成で配置されたP型およびN型材料の4つの交互層を持つ半導体デバイスです。これにより、デバイス内に3つのPN接合 (J1、J2、J3) が作成されます。3つの端子は、アノード、カソード、ゲートであり、それぞれがデバイスの層の1つに接続されています。アノードは最外層のP型層に、カソードは最外層のN型層に、ゲートは内側のP型層に接続する必要があります。サイリスタのPN接合は図5に示されており、図6はサイリスタの一般的な記号を示しています。

図5 : サイリスタPN接合

図6 : サイリスタの記号

サイリスタの動作

サイリスタの機能は、さまざまな電圧条件下での3つのPN接合動作を分析することで理解できます。カソードに対してアノードに正の電圧が印加されると、接合部J1とJ3は順方向バイアスになり、接合部J2は逆方向バイアスになります。この状態では、サイリスタは電流を伝導せず、オフまたはブロック状態のままになります。サイリスタは、アノードとカソード間の印加電圧を高い値に上げることでアクティブになり、アバランシェブレークダウンと呼ばれるプロセスで逆バイアスのJ2接合部がブレークダウンします。しかし、この方法はトランジスタに有害です。サイリスタを安全にオンにするために、ゲートとカソードの間に正の電圧が印加されますが、接合部を横切る正孔と電子の挙動により、印加電圧が低い場合でも接合部J2がブレークダウンします。ゲートパルスは、逆バイアス接合部J2に少数キャリアを注入し、空乏領域を中和してデバイスを流れる電流をイネーブルにします。いったん陽極電流がラッチ電流を超えると、陽極電流が保持電流を下回らない限り、サイリスタはオン状態のままになります。サイリスタをオフにするには、アノード電流を保持電流を下回るように下げて、デバイスをブロッキング状態に戻す必要があります。サイリスタの動作の重要な側面は、ゲート電流が増加すると順方向阻止電圧が減少し、ゲート電流の増加によってより低いアノードとカソード間電圧でサイリスタをアクティブ化できることです。不要な電力損失を防ぐために、いったんサイリスタがオンになったらゲート信号を除去することが重要です。同様に、ゲート信号があると、漏れ電流が増加してデバイスが故障する可能性があるため、逆バイアス状態ではゲート信号が存在しない必要があります。保護のためにサイリスタをトリガーし、電源と制御回路間の絶縁を保証するには、特別なゲート回路が必要でありますのでご注意ください。通常、これを実現するために、パルストランスやフォトカプラなどの絶縁回路が使用されます。

サイリスタの性質

サイリスタは、ダイオードやトランジスタなどの他の半導体デバイスとは異なる独自の特性を備えています。これらの機能には、高電圧を遮断し、大電流を流し、伝導損失が低いという能力があり、高電力アプリケーションに適しています。また、サイリスタは他のパワーエレクトロニクスデバイスと比較して、信頼性、耐久性、費用効率に優れていることで知られています。

サイリスタの特性

サイリスタのV-I特性を図7に示します。

図7 : サイリスタのV-I特性

順方向ブレークダウン電圧 (VBO)

順方向ブレークダウン電圧 (VBO) とは、アノードとカソードの間にゲート信号を印加する必要なく、J2接合が導通を開始するかアバランシェブレークダウンが発生する電圧レベルを指します。

ラッチング電流 (IL)

サイリスタを使用した回路の設計では、ラッチング電流の決定が最も重要です。このパラメータは、ゲート信号が除去された直後に、意図された動作条件下でサイリスタがオン状態に維持されることを保証します。適切なラッチング電流を考慮しないと、信頼性の低いターンオンにつながり、パフォーマンスが最適でなくなったり、誤動作したりする可能性があります。逆に、ラッチ電流が低いサイリスタは、ノイズや過渡電流スパイクにより意図しない動作を起こしやすくなる可能性があります。

保持電流 (IH)

保持電流は、それを下回るとサイリスタがオフになり、阻止状態に戻る最小のアノード電流です。サイリスタがオン状態になり、アノード電流が保持電流を下回ると、サイリスタはオフになり、再度オンになるまで電流を流しません。保持電流は、安定した動作を保証し、通常動作中にサイリスタが意図せずオフになるのを防ぐため、サイリスタベースの回路を設計する際の重要なパラメータです。

ターンオン時間 (ton)

ターンオン時間 (ton) は、ゲートパルスの印加後、サイリスタが電気を伝導するのに必要な時間です。具体的には、tonは、定常ゲート電流が10% (0.1IG) に達する時点からサイリスタのオン状態電流が90% (0.9IT) に達する時点までの期間として定義されます。tonは、遅延時間 (td) と立ち上がり時間 (tr) の合計として計算できます。ここで、tdは、ゲート電流の10% (0.1IG) からサイリスタのオン状態電流の10% (0.1IT) までの時間です。立ち上がり時間 (tr) は、アノード電流がオン状態電流の10% (0.1IT) からオン状態電流の90% (0.9IT) まで増加するのに必要な時間です。

サイリスタの種類

基本的な位相制御サイリスタ (SCRとも呼ばれる) とは異なる独自の特性に基づいて、さまざまな種類のサイリスタが存在します。

双方向位相制御

サイリスタ (BCT) は、2つの逆並列サイリスタの利点を1つのパッケージに統合し、コンパクトな設計、簡素化された冷却システム、および高い信頼性を実現します。BCTには順方向電流と逆方向電流を制御する2つのゲートが装備されており、電圧電流無効電力 (VAR) 補償装置、スタティックスイッチ、モータドライブなどのアプリケーションでよく使用されます。

3極双方向サイリスタ

3極双方向サイリスタはTRIACとも呼ばれ、2つの逆並列サイリスタで構成されています。特に、この双方向デバイスではゲート接続が共有されます。この部品は、AC位相制御回路で頻繁に使用されます。

ゲートターンオフサイリスタ (GTO)

GTO (ゲート ターンオフ サイリスタ) は、SCRのように正のゲート信号でアクティブ化できます。ただし、GTOのユニークな点は、負のゲート信号で非アクティブ化できることです。GTOの起動プロセスはSCRよりも信頼性が低く、最適なパフォーマンスを得るには起動後も小さな正のゲート電流を維持する必要があります。GTOは高出力インバータや可変速ドライブに利用されます。

その他のサイリスタの種類

サイリスタには、光活性化シリコン制御整流器 (LASCR) などの追加バリエーションも存在します。また、FET制御サイリスタ (FET-CTH) やMOSターンオフサイリスタ (MTO) など、特定のサイリスタには電界効果トランジスタ (FET) と金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) が搭載されています。

サイリスタのアプリケーション

サイリスタは、次のようなさまざまな電気のアプリケーションで使用されます :

AC電力制御 : 暖房、ライティング、モータ制御システムの電力を調整

サイリスタは、大量の電力を効率的に管理できるため、AC電力制御のアプリケーションでよく使用される部品です。

暖房システムでは、サイリスタを使用して、抵抗加熱素子に供給される電力を制御することで温度を調節できます。サイリスタの点弧角を操作することで、加熱素子に供給される電力を調整し、希望の温度を維持することができます。

ライティングシステムでは、ランプに供給される電力を制御することで、白熱電球やハロゲン電球などのランプの明るさを調節するために使用されます。この制御方法は位相制御調光と呼ばれます。

モータ制御システムでは、サイリスタは誘導モータや同期モータなどのACモータの速度とトルクを制御するために使用されます。サイリスタベースのモータ制御システムは、モータに印加される電圧と周波数を調整することにより、モータの速度とトルクを正確に管理できます。

位相制御整流器 : 高出力アプリケーションにおけるACからDCへの変換

位相制御整流器は、サイリスタを利用して高出力のAC電力をDC電力に変換する電子回路です。従来のダイオードベースの整流器と比較して、位相制御整流器はすぐれた出力電圧制御、効率向上、高調波歪みの低減を提供します。位相制御整流器のサイリスタは、AC入力波形の各半サイクル中に特定の位相角でトリガーされ、点弧角を制御することでDC出力電圧を目的のレベルに調整できます。この機能により、位相制御整流器は、電気自動車のチャージャ、バッテリー充電システム、高電圧DC伝送システムなど、可変DC電圧を必要とするアプリケーションに特に適しています。

インバータ : モータドライブと再生可能エネルギーシステム用にDCからACへ変換

サイリスタベースのインバータは、モータドライブや再生可能エネルギーシステムなどのさまざまなアプリケーションで、DC電力をAC電力に変換するために一般的に使用されています。

モータドライブでは、インバータが調整可能な周波数と電圧のAC出力を生成し、モータの速度とトルクを調整します。サイリスタベースのインバータは、大量の電力を処理できるため、産業用ドライブや機関車の牽引システムなどの高電力アプリケーションで頻繁に使用されます。

太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーシステムでは、生成される電力は通常DCであり、グリッドに統合したり、AC負荷に電力を供給したりするには、インバータを使用してACに変換する必要があります。これらのシステムでは、サイリスタベースのインバータを利用して、高調波歪みが低く効率の高い、グリッド互換のAC電力を生成できます。