Tyristori (SCR) – porttiohjattu tasasuuntaaja: toiminta ja sovellukset

Porttiohjattu tasasuuntaaja (SCR) on tyristorin yleisin muoto. Se on nelikerroksinen (PNPN) kiinteän olomuodon puolijohdekomponentti, joka toimii kytkimenä ja tehoelektroniikan ohjauslaitteena.

Rakenne ja termit

SCR:llä on kolme liitintä: anodi, katodi ja portti (gate). Sisäinen rakenne muodostuu neljästä kerroksesta, joissa on kolme PN-siirtymää. Tärkeimpiä parametreja ovat nimellisjännitteet ja -virrat (esim. V_DRM/V_RSM, I_TM), portin laukaisuvastus ja pito-/laukaisuvirrat (I_H, I_GT).

Toimintaperiaate

SCR on pääsääntöisesti yksisuuntainen: se johtaa virtaa anodi–katodi-suunnassa, kun se on lauennut. Laukaisu tapahtuu, kun porttiin viedään sopiva pulssi (positiivinen portti suhteessa katodiin) samalla kun anodi on positiivinen katodiin nähden. Kun SCR lauennut, se jää johtavaksi (latched state) vaikka porttipulssi poistettaisiinkin; se sammuu vasta kun anodi–katodi virta laskee alle pitoarvon (I_H), esimerkiksi vaihtovirrassa nollakohtaan tai käyttämällä kommutointipiiriä tasavirrassa.

Kytkentätilat

Estotila (forward blocking): anodi positiivinen mutta porttia ei ole laukaisuvirralla — laite ei johda merkittävästi.
Lauennut tila (forward conduction): porttipulssi laukaisee laitteen ja se johtaa alhaisen jännitehäviön kautta.
Takaiskestotila (reverse blocking): kun kytkentä on käänteinen, SCR estää virran kuten diodi takaisuvapaassa suunnassa.

Käyttö ja sovellukset

Tasasuuntaaja on sähkölaite, joka muuntaa vaihtovirran (AC) tasavirraksi (DC). SCR:iä käytetään laajalti tehoelektroniikassa, erityisesti kun tarvitaan suuria jännitteitä tai virtoja ja luotettavaa kytkentää. Tyypillisiä sovelluksia:

Kontrolloidut tasasuuntaajat ja suurtehoiset tasasähkönsiirtojärjestelmät (HVDC).
Vaihtovirran tehonsäätö ja himmennys (vaiheenleikkaus, lamppujen himmennys).
Moottorinohjaukset ja käynnistimet, hitsauskoneet.
Latureiden ja virtalähteiden säätö sekä akkujen latauspiirit.
Sovellukset, joissa tarvitaan luonnollista kommutointia (esim. AC-vuorokytkentä) tai suurta kesto- ja piikkivirran käsittelyä.

Kytkentä- ja ohjaustekniikat

SCR:t laukaistaan yleensä porttipulssilla, jonka amplitudi ja kesto riippuvat komponentin tyypistä (I_GT). Portin herkkyyttä voidaan parantaa porttivastuksilla, optoeristimillä tai pulssimuuntajilla. Tasavirrassa SCR:n sammuttamiseen tarvitaan erillinen kommutointipiiri (forced commutation), koska luonnollista nollakohtaa ei ole.

Suojaukset ja tärkeät parametrit

Tehokas suojaus on välttämätön SCR-käytössä:

dv/dt-herkkyys: nopea jännitenousu voi aiheuttaa tahattoman laukaisun — snubber (RC) estää tämän.
di/dt-rajat: suuri virran nousunopeus voi vaurioittaa laitetta — sarjavastus tai induktanssi rajoittaa di/dt:ta.
Ylikuumenemissuoja, sulakkeet ja ylivirtasuoja estävät vioittumisen suurella kuormituksessa.
Takaiskunkestoon (V_RRM) ja jatkuvaan virtaan (I_T(AV), I_TM) liittyvät raja-arvot on huomioitava suunnittelussa.

Vertailu muihin tehoelektroniikan puolijohteisiin

SCR eroaa muista tehoväylän laitteista seuraavasti:

Triac: toimii molempiin suuntiin AC-sovelluksissa, mutta ei korvaa SCR:ää suurjännite-DC-sovelluksissa.
GTO (gate turn-off thyristor): voidaan sammuttaa portilla, toisin kuin perinteinen SCR.
IGBT ja MOSFET: nopeampia ja helpommin ohjattavia pikakytkentäsovelluksissa, mutta SCR:t kestävät usein paremmin erittäin suuria jännitteitä ja piikki-virtoja.

Yhteenveto

SCR on luotettava ja kestävä porttiohjattu tasasuuntaaja, joka soveltuu erityisesti suuriin tehoihin ja korkeisiin jännitteisiin. Sen erityispiirteitä ovat porttilaukaisu, latcheutuminen ja tarve kommutointitekniikoille tasavirtakytkennöissä. Oikealla suojauksella ja ohjauksella SCR tarjoaa tehokkaan ratkaisun moniin tehoelektroniikan sovelluksiin kuten tehonsäätö, hitsaus ja tasasähkönsiirto.

Piiohjattu tasasuuntaaja