Thyristoren: typen, werking en de kracht van Silicium Gecontroleerde Gleichrichters (SCRs)

Thyristoren zijn een familie van bipolaire-geleiding halfgeleiderapparaten opgebouwd uit afwisselende N-P-N-P lagen. De familie omvat silicium gecontroleerde gleichrichters (SCRs), TRIACs, gate turn-off schakelaars (GTOs), silicium gecontroleerde schakelaars (SCSs), wisselstroom diodes (DIACs), unijunctietransistoren (UJT) en programmeerbare unijunctietransistoren (PUT). Dit artikel richt zich op de SCR terwijl de GTO kort wordt genoemd.

In 1950 stelde Shockley de vierlagen diode thyristor voor. General Electric realiseerde later het ontwerp, en SCRs zijn sindsdien geëvolueerd om vermogensniveaus van enkele watts tot diverse megawatts aan te kunnen. De kleinste eenheden—verpakt als kleine-signaal transistoren—schakelen enkele honderden milliampères bij ongeveer 100 VAC. De grootste commerciële apparaten meten 172 mm in diameter en kunnen 5.600 A bij 10.000 V hanteren. Hoogvermogen SCRs kunnen op wafers van diverse inches diameter gefabriceerd worden.

Silicium Gecontroleerde Gleichrichter (SCR)

De SCR is een vierlagen diode die een gate terminal integreert. Wanneer een positieve gatepuls wordt toegepast, wordt het interne NPN-PNP transistorpaar getriggerd in geleiding. Positieve terugkoppeling tussen de twee transistoren handhaaft de aan-toestand zelfs na verwijdering van de gatepuls. Het apparaat blijft geleiden zolang de anode positief gebiaiseerd blijft. In DC is geleiding permanent; in AC of pulserende DC stopt het wanneer de anodespanning naar nul valt—dit is het commutatiepunt.

De dopingsstructuur geïllustreerd in de onderstaande figuur: de kathode (N⁺) en anode (P⁺) zijn zwaar gedopt, terwijl de midden N⁻ en P lagen licht gedopt zijn, wat de transistorbasissen vormt. In hoogvermogen SCRs kan deze structuur een heel wafer beslaan.

SCR en GTO symbolen worden in het diagram getoond: het basale diodesymbool geeft eenrichtingsgeleiding aan, terwijl de gateleiding controlecapaciteit markeert. Het GTO symbool heeft bidirectionele pijlen, wat aangeeft dat een negatieve gatepuls het apparaat kan uitschakelen.

Naast silicium, zijn siliciumcarbide (SiC) SCRs in ontwikkeling. SiC biedt superieure thermische geleiding—alleen diamant na—wat of kleinere vormfactoren of hogere vermogensafhandeling bij verhoogde temperaturen toestaat.

Kernpunten

• SCRs zijn de meest voorkomende vierlagen thyristor.
• Een positieve gatepuls triggert geleiding, die persisteert tot de anodespanning naar nul daalt.
• SCRs excelleren in AC of pulserende DC toepassingen waar continue geleiding vereist is.
• De GTO kan worden uitgezet met een negatieve gatepuls.
• SCRs kunnen tot 5,6 kA en 10 kV hanteren, wat vertaalt naar megawatt-niveau vermogen.

Gerelateerde bronnen

• Thyristoren werkblad