Siliciumstyret ensretter (SCR) – thyristor: definition, funktion og anvendelser

Lær om siliciumstyret ensretter (SCR/thyristor): princip, funktion og praktiske anvendelser inden for strømstyring, højspænding, motorstyring og svejsning.

En siliciumstyret ensretter (SCR) er en type thyristor — en firelags faststofstrømsregulerende halvlederkomponent. Den består af et PNPN-struktur med tre elektroder: anode, katode og gate. SCR'er er unidirektionelle enheder: de leder strøm kun i én retning (anode til katode) og kan holdes ledende efter først at være udløst, indtil strømmen falder under en bestemt værdi (holdestrøm).

Opbygning og grundlæggende funktion

SCR'en har tre terminaler:

• Anode (positiv terminal ved fremadledning)
• Katode (negativ terminal)
• Gate (styreelektrode til udløsning)

Driftstilstande

• Reverse blocking: Ved negativ anode-katode-spænding blokerer SCR'en næsten som en diode i modsat retning.
• Forward blocking: Ved lille positiv anode-katode-spænding forbliver SCR'en lukket, indtil gate udløser den eller spændingen når punch-through.
• Forward conduction: Efter korrekt udløsning fører enheden med lav spændingsdrop, indtil strømmen falder under holdestrømmen.

Vigtige parametre

• Vdrm / Vrrm: Maksimal gentagen blokeringstærskel (reverse og forward peak spænding).
• It (kontinuerlig strøm): Maksimal strøm den kan føre under normale forhold.
• Itsm (impulstopstrøm): Kortvarig peakstrøm ved impulser.
• Gate trigger current (Igt) og gate trigger voltage (Vgt): Den minimale gatestrøm/spænding nødvendig for pålidelig udløsning.
• Holding current (Ih): Den minimale strøm for at holde SCR'en i ledningstilstand.
• dv/dt-rating: Angiver hvor hurtigt anode-katode-spændingen kan ændre sig uden utilsigtet at udløse enheden.

Styre- og beskyttelsesteknikker

SCR'er kan være følsomme over for:

• dv/dt — en hurtig stigning i spænding kan inducere en strøm, som udløser enheden utilsigtet. Derfor anvendes ofte snubber-netværk (RC) over anode-katode.
• di/dt — en stor strømningsstigning kan beskadige kernen; serienheder som induktorer eller current-limiting resistorer og skånsom gating (gate-resistor) bruges til at begrænse di/dt.
• Termisk management — kraftig effektfordampning kræver varmeafledning (køleplader, kabinetter) og korrekt strømbegrænsning.

I DC-applikationer, hvor strømmen ikke naturligt går gennem nul, kræves forced commutation (ekstern kreds der kan afbryde strømmen), mens AC-kredsløb normalt tilbyder natural commutation ved netfrekvensens nulpunkt.

Anvendelser

SCR'er anvendes især i høj-effekt og højspændingsapplikationer, hvor robust styring af store strømme er nødvendig. Typiske anvendelser inkluderer:

• Kontrolleret ensretning i kraftforsyninger og højspændings jævnstrømstransmission (HVDC).
• Fasekontrollerede ensrettere til motorstyring og hastighedsregulering af DC-motorer.
• Industrielle svejsemaskiner og studer, hvor store strømme skal kontrolleres.
• Lysdæmpere, strømregulatorer og opvarmningskontrol i industrielle varmeprocesser.
• Batteriopladere og ladestyring.
• Beskyttelseskredsløb som crowbar for over spændingsbeskyttelse.

Fordele og begrænsninger

• Fordele: Kan håndtere meget høje strømme og spændinger, robust og økonomisk ved store effektniveauer, enkel gate-styring for udløsning.
• Begrænsninger: Kan ikke slukkes med gaten (kun ved at reducere strømmen under holdestrømmen eller ved anvendelse af kommuteringskredse), langsommere skiftehastighed end IGBT/MOSFET, kræver ofte omfattende beskyttelses- og afkølingsforanstaltninger.

Sammenligning med andre effektafbrydere

• Triac: Triacen er bidirektionel og bruges ofte til AC-dæmpning ved lav- til mellem-effekter; SCR er foretrukken i høj-effekts og DC-applikationer.
• IGBT / MOSFET: Moderne IGBT'er og MOSFET'er tilbyder hurtigere switching og enklere slukning via gate, hvilket gør dem velegnede til højfrekvente konvertere og PWM-styring. SCR'er er dog ofte mere robuste ved store strømme og høje spændinger og kan være billigere i meget høj-effekt applikationer.

Typiske kredsløb og konfigurationer

SCR'er anvendes i flere kredsløbsopbygninger:

• Enkelt-sidet (half-wave) kontrollerede ensrettere — enkel styring ved enkelt SCR i serie med belastning.
• Fuldbølge og bro-ensrettere med flere SCR'er for mere effektiv effektudnyttelse og polaritetskontrol.
• Parallel- og seriekonfigurationer til at opnå højere strøm- eller spændingsratings (kræver gate- og balanceringskredsløb).
• Dual-convertere til regenerativ motorstyring og fleksibel DC-drift.

SCR'er er centrale i mange store kraft- og industrielle systemer på grund af deres evne til at styre store effekter på en pålidelig måde. Når hurtig switching eller let slukning er nødvendig, kombineres eller erstattes de ofte af moderne halvlederteknologier som IGBT og MOSFET.

Søg efter bogstav