Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) – работа, строительство, методы запуска, типы и применение

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) — это ключевое силовое полупроводниковое устройство, широко используемое для управления высоким напряжением и током в электрических и промышленных системах. Его способность эффективно переключать и регулировать мощность делает его полезным в преобразователях, моторных приводах и схемах автоматизации. В этой статье объясняется построение SCR, принцип работы, характеристики, типы и практическое применение в ясной и структурированной форме.

С1. Что такое кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)?

С2. Конструкция и символ ЮКЖД

С3. Эксплуатация SCR

С4. V-I характеристики SCR

С5. Коммутационные характеристики SCR

С6. Виды SCR

С7. Методы включения SCR

С8. Преимущества и ограничения SCR

С9. Применение SCR

С10. Сравнение SCR и GTO

С11. Тестирование SCR с помощью омметра

С12. Заключение

С13. Часто задаваемые вопросы [FAQ]

Что такое кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)?

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) — это трехконтактное силовое полупроводниковое устройство, используемое для управления и коммутации высокого напряжения и тока в электрических цепях. Он входит в семейство тиристоров и имеет четырехслойную структуру PNPN. В отличие от простого диода, SCR позволяет управлять переключением, поскольку он включается только при подаче сигнала запуска затвора. Он широко используется в преобразователях переменного тока в постоянный, моторных приводах, зарядных устройствах и промышленной автоматизации благодаря своей высокой мощности и эффективности.

Конструкция и символ ЮКЖД

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) построен с использованием четырех чередующихся слоев полупроводниковых материалов P-типа и N-типа, образующих структуру PNPN с тремя переходами: J1, J2 и J3. Он имеет три терминала:

• Анод (A): соединен с внешним P-слоем

• Катод (K): соединен с внешним N-слоем

• Затвор (G): Соединен с внутренним P-слоем и используется для срабатывания

Внутренне SCR может быть смоделирован как два взаимосвязанных транзистора — один PNP и один NPN, образующие регенеративную петлю обратной связи. Эта внутренняя структура объясняет поведение фиксации SCR, когда она продолжает вести работу даже после удаления сигнала затвора.

Символ SCR напоминает диод, но включает в себя клемму затвора для управления. Ток течет от анода к катоду при срабатывании устройства через затвор.

Эксплуатация SCR

SCR работает в трех электрических состояниях в зависимости от напряжения анод-катод и сигнала затвора:

Режим обратной блокировки

Когда анод становится отрицательным относительно катода, переходы J1 и J3 имеют обратное смещение. Протекает лишь небольшой ток утечки. Превышение предела обратного напряжения может привести к повреждению устройства.

Режим прямой блокировки (состояние OFF)

При положительном аноде и катодном отрицательном переходе J1 и J3 смещены вперед, а J2 — обратно. SCR остается выключенным в этом состоянии даже при подаче прямого напряжения, предотвращая протекание тока до тех пор, пока не будет обеспечен триггер.

Режим прямой проводимости (состояние ON)

Подача импульса затвора при прямом смещении вводит носители, которые переходят J2 с прямым смещением, обеспечивая проводимость. После включения SCR фиксируется и продолжает проводить даже после снятия сигнала затвора, пока ток остается выше удерживаемого тока.

V-I характеристики SCR

Характеристика V-I определяет, как ток устройства реагирует на приложенное напряжение в различных рабочих зонах:

• Область обратной блокировки: минимальный ток протекает при обратном смещении до тех пор, пока не произойдет пробой.

• Область прямой блокировки: прямое напряжение увеличивается, но ток остается низким до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение прямого прорыва (VBO).

• Область прямой проводимости: после запуска импульсом затвора SCR быстро переходит в состояние ON с низким сопротивлением с небольшим падением прямого напряжения (1–2 В).

Увеличение тока затвора смещает напряжение прямого пробоя вниз, что позволяет быстрее включиться. Это полезно в цепях переменного тока с фазовым управлением.

Коммутационные характеристики SCR

Характеристики коммутации описывают поведение SCR при переходах между состояниями OFF и ON:

• Время включения (т): время, необходимое для полного переключения SCR из положения «ВЫКЛ» в «ВКЛ» после импульса стробов. Он состоит из времени задержки, времени подъема и времени распределения. Более быстрое включение обеспечивает эффективное переключение в преобразователях и инверторах.

• Время выключения (tq): После остановки проводимости SCR требуется время, чтобы восстановить свою способность к прямой блокировке из-за накопленных носителей заряда. Эта задержка востребована в высокочастотных приложениях, а в системах постоянного тока требуются внешние коммутационные цепи.

Виды SCR

SCR доступны в различных стилях конструкции и классах производительности для удовлетворения требований различных приложений по напряжению, току и коммутации. Ниже приведены основные типы SCR без использования табличного формата, как это было запрошено.

Дискретный пластик SCR

Это небольшой маломощный SCR, обычно упакованный в корпуса TO-92, TO-126 или TO-220. Он экономичен и широко используется в слаботочных электронных схемах. Эти SCR идеально подходят для простого переключения переменного тока, систем управления с низким энергопотреблением, диммеров света и цепей зарядных устройств.

Пластиковый модуль SCR

Этот тип предназначен для работы со средними и высокими токами. Он заключен в компактный пластиковый модуль, который обеспечивает электрическую изоляцию и простоту монтажа. Эти SCR широко используются в системах ИБП, промышленных блоках управления питанием, сварочных аппаратах и регуляторах скорости двигателя.

Пресс-пак SCR

Пресс-пакеты SCR представляют собой устройства для тяжелых условий эксплуатации, заключенные в прочный металлический дискообразный корпус. Они обладают отличными тепловыми характеристиками и высокой пропускной способностью и не требуют пайки. Вместо этого они зажимаются между радиаторами под давлением, что делает их пригодными для высоконадежных применений, таких как промышленные приводы, тяговые системы, передача электроэнергии HVDC и электросети.

Быстрая коммутация SCR

Быстрокоммутационные SCR, также называемые инверторными SCR, предназначены для цепей, работающих на более высоких частотах. Они имеют короткое время выключения и сниженные потери при переключении по сравнению со стандартными SCR. Эти устройства обычно используются в прерывателях, преобразователях постоянного тока, высокочастотных инверторах и импульсных источниках питания.

Методы включения SCR

Существуют различные способы запуска SCR в проводимость:

Запуск затвора (наиболее распространенный): маломощный импульс затвора включает SCR контролируемым образом. Используется в большинстве промышленных применений.

Запуск по прямому напряжению: если прямое напряжение превышает напряжение пробоя, SCR включается без импульса затвора, чего обычно избегают из-за нагрузки на устройство.

Тепловой запуск (нежелательный): Превышение температуры может непреднамеренно запустить проводимость; Необходимо избегать неправильного охлаждения.

Световой триггер (LASCR): светочувствительные SCR используют фотоны для запуска проводимости в высоковольтных изоляционных приложениях.

Запуск dv/dt (нежелательный): Быстрое повышение прямого напряжения может привести к случайному включению из-за емкости перехода. Демпферные цепи предотвращают это.

Преимущества и ограничения SCR

Преимущества SCR

• Высокая мощность и напряжение: SCR способны контролировать большие объемы мощности, часто в диапазоне от сотен до тысяч вольт и ампер, что делает их пригодными для тяжелых промышленных применений, таких как приводы двигателей, передачи постоянного тока высокого напряжения и преобразователи энергии.

• Высокий КПД и низкие потери на проводимость: после включения SCR проводит работу с очень небольшим падением напряжения (обычно 1–2 вольта), что приводит к низкой рассеиваемой мощности и высокому КПД.

• Малые требования к току затвора: Устройству требуется только небольшой пусковой ток на клемме затвора для включения, что позволяет использовать простую схему управления с низким энергопотреблением для переключения мощных нагрузок.

• Прочная конструкция и экономичная конструкция: SCR механически надежны, термически стабильны и рассчитаны на высокие импульсные токи. Их простая внутренняя структура также делает их относительно недорогими по сравнению с другими силовыми полупроводниковыми переключателями.

• Подходит для управления питанием от сети переменного тока: поскольку SCR естественным образом отключаются, когда переменный ток превышает ноль (естественная коммутация), они идеально подходят для приложений управления фазой переменного тока, таких как регуляторы освещения, контроллеры нагревателей и регуляторы напряжения переменного тока.

Ограничения SCR

• Однонаправленная проводимость: SCR проводит ток только в прямом направлении. Он не может эффективно блокировать обратный ток, если не используется с дополнительными компонентами, такими как диоды, что ограничивает его использование в некоторых цепях управления переменным током.

• Не может быть выключен с помощью клеммы ворот: Хотя SCR может быть включен через ворота, он не реагирует ни на один сигнал ворот для выключения. Ток должен быть ниже удерживаемого тока, или в цепях постоянного тока должен использоваться метод принудительной коммутации.

• Требуются коммутационные цепи в приложениях постоянного тока: В чистых цепях постоянного тока SCR не получает нулевую точку естественного тока для отключения. Необходимы внешние коммутационные цепи, что увеличивает сложность и стоимость схемы.

• Ограниченная скорость переключения: SCR относительно медленные по сравнению с современными полупроводниковыми ключами, такими как MOSFET или IGBT. Это делает их непригодными для высокочастотных коммутационных приложений.

• Чувствительность к высокому dv/dt и условиям перенапряжения: быстрое повышение напряжения на SCR или чрезмерное переходное напряжение могут вызвать ложное включение, что влияет на надежность. Демпферные цепи и соответствующие защитные компоненты необходимы для предотвращения пропусков зажигания и выхода устройства из строя.

Применение SCR

• Управляемые выпрямители (преобразователи переменного тока в постоянный) – используются для зарядки аккумуляторов и переменных источников постоянного тока.

• Контроллеры напряжения переменного тока – диммеры освещения, регуляторы скорости вентилятора и регуляторы нагревателя.

• Регулятор частоты вращения двигателя постоянного тока – используется в приводах постоянного тока с регулируемой скоростью.

• Инверторы и преобразователи – для преобразования постоянного тока в переменный.

• Защита от перенапряжения (цепи лома) – защищает блоки питания от скачков напряжения.

• Статические переключатели / твердотельные реле – быстрое переключение без механического износа.

• Регуляторы мощности – используются в индукционном нагреве и промышленных печах.

• Устройства плавного пуска для двигателей — контролируют пусковой ток во время запуска двигателя.

• Системы передачи электроэнергии – используются в системах постоянного тока высокого напряжения (HVDC).

Сравнение SCR и GTO

Тиристор с поворотным затвором (GTO) является еще одним членом семейства тиристоров и часто сравнивается с SCR.

Тестирование SCR с помощью омметра

Перед установкой SCR в силовую цепь важно убедиться, что она электрически исправна. Неисправный SCR может привести к короткому замыканию или выходу из строя всей системы. Базовое тестирование может быть выполнено с помощью цифрового или аналогового мультиметра вместе с небольшим источником постоянного тока для запуска проверки.

1 Испытание на соединение затвора с катодом

Они проверяют, ведет ли себя соединение затвора как диод.

• Установите мультиметр в режим проверки диодов

• Подсоедините положительный (+) щуп к затвору (G), а отрицательный (–) щуп к катоду (K). Нормальные показания показывают прямое падение напряжения в диапазоне от 0,5 В до 0,7 В

• Переверните щупы (+ к К, – к Г). Измеритель должен показывать OL (разомкнутый контур) или очень высокое сопротивление

Испытание на блокировку анода и катода

Это гарантирует, что SCR не будет закорочен изнутри.

• Держите мультиметр в диодном режиме или в режиме сопротивления

• Соедините + щуп с Анодом (А) и – щуп с Катодом (К). SCR должен блокировать ток и показывать разомкнутую цепь (без проводимости)

• Переверните щупы (+ к К, – к А). Чтение по-прежнему должно быть разомкнутым

Тест на срабатывание (фиксацию) SCR

Это подтверждает, может ли SCR правильно включаться и защелкиваться.

• Используйте аккумулятор 6 В или 9 В с последовательно настроенным резистором 1 кОм

• Подключите аккумулятор + к аноду (А) и аккумулятор – к катоду (К)

• Кратковременно подключите вентиль (G) к аноду через резистор 100–220 Ом. SCR должен включаться и защелкиваться, позволяя току протекать даже после снятия соединения затвора.

• Чтобы выключить его, отключите питание — SCR разблокируется

Заключение

Кремниевый управляемый выпрямитель остается ключевым компонентом в системах управления питанием благодаря своей эффективности, высокой надежности и способности выдерживать большие электрические нагрузки. От регулирования напряжения переменного тока до управления двигателями постоянного тока и промышленных систем преобразования, SCR продолжают играть жизненно важную роль в электротехнике. Глубокое понимание основ SCR помогает в проектировании безопасных и эффективных силовых электронных схем.

Часто задаваемые вопросы [FAQ]

В чем разница между SCR и TRIAC?

Симистор может проводить ток в обоих направлениях и используется в системах управления переменным током, таких как диммеры и регуляторы вентиляторов. SCR проводит ток только в одном направлении и в основном используется для управления постоянным током или выпрямления.

Зачем SCR нужна коммутационная цепь?

В цепях постоянного тока SCR не может выключиться только с помощью клеммы затвора. Коммутационная цепь заставляет ток падать ниже удерживающего тока, помогая SCR безопасно выключиться.

Что приводит к сбою SCR?

Сбой SCR обычно вызван перенапряжением, высоким импульсным током, неправильным рассеиванием тепла или ложным переключением, сработавшим по dv/dt. Использование демпферных цепей и радиаторов помогает предотвратить отказы.

Может ли SCR управлять питанием переменного тока?

Да, SCR могут управлять питанием переменного тока с помощью управления фазовым углом. За счет задержки угла срабатывания сигнала затвора во время каждого цикла переменного тока можно регулировать выходное напряжение и мощность, подаваемую на нагрузку.

Каков ток удержания в SCR?

Удерживаемый ток — это минимальный ток, необходимый для поддержания SCR во включенном состоянии. Если ток падает ниже этого уровня, SCR автоматически выключается, даже если он был срабатывал ранее.