사이리스터

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1. 개요

사이리스터는 1956년 개발된 4층 구조의 3단자 반도체 소자로, 작은 제어 전압으로 큰 전류를 스위칭할 수 있는 기능을 제공한다. "싸이라트론"과 "트랜지스터"의 합성어에서 유래된 이름으로, 전기적 특성에 따라 다양한 종류가 존재한다. 사이리스터는 세 가지 상태(역방향 차단, 순방향 차단, 순방향 전도)를 가지며, 게이트에 전압을 가하여 도통 상태로 만들 수 있다. 고전압 및 고전류 제어에 사용되며, 전력 시스템, 산업, 가전 제품 등 다양한 분야에서 활용된다.

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사이리스터
기본 정보
사이리스터
유형	능동
최초 생산	1956년
기호	[[File:IEEE 315-1975 (1993) 8.5.8.1.c.svg\|100px]]
핀	애노드, 게이트 및 캐소드
로마자 표기법	taireseuteo
개요
설명	사이리스터는 반도체 소자 스위치 장치이다.
일본어 명칭
일본어 명칭	사이リスタ

2. 역사

1950년 윌리엄 쇼클리가 사이리스터의 기본 개념을 제안하고 벨 연구소의 몰(Moll) 등이 주도한 실리콘 제어 정류기(SCR)는 1956년 고든 홀이 이끄는 제너럴 일렉트릭(GE)의 전력 엔지니어들에 의해 개발되었고, GE의 프랭크 W. "빌" 구츠윌러에 의해 상용화되었다. 전기전자기술자협회(IEEE)는 뉴욕주 클라이드의 발명 현장에 명판을 설치하고 IEEE 역사적 랜드마크로 선포하여 이 발명을 인정했다.

6개의 2000A 사이리스터(위쪽에 일렬로 배열된 흰색 원반, 측면에서 보임)

이전의 가스 충전관 장치인 싸이라트론은 작은 제어 전압으로 큰 전류를 스위칭할 수 있는 유사한 전자 스위칭 기능을 제공했다. "사이리스터"라는 용어는 "싸이라트론"과 "트랜지스터"의 결합에서 유래되었다. "SCR"은 제너럴 일렉트릭(General Electric)사의 등록상표이다. 또한, 역도통 사이리스터가 유통되기 시작하면서 구별하기 위해 "역차단 3단자 사이리스터"라고도 불리게 되었다.

최근 일부 제조업체는 반도체 재료로 탄화규소(SiC)를 사용한 사이리스터를 개발했다. 이러한 사이리스터는 최대 350 °C의 작동 온도에서 작동할 수 있어 고온 환경에서 응용된다. 후에 P형 반도체 또는 N형 반도체의 조합이 4중 이상, 단자의 수도 2개 이상인 것이 발명되어, 주로 스위칭 용도로 사용하고 구조와 동작 원리가 비슷한 것을 통틀어 "사이리스터"라고 부르게 되었다.

3. 구조와 동작

사이리스터는 P-N-P-N 4층 구조를 가지는 3단자 반도체 소자이다. 주요 단자는 양극(애노드, Anode)과 음극(캐소드, Cathode)이며, 네 층 모두에 걸쳐 있다. 제어 단자인 게이트(Gate)는 음극 근처의 P형 재료에 연결된다. SCS(실리콘 제어 스위치)는 네 층 모두를 단자로 연결하는 변형이다. 사이리스터의 동작은 바이폴라 접합 트랜지스터 쌍으로 이해할 수 있다.

사이리스터는 세 가지 상태를 가진다.

# 역방향 차단 모드: 다이오드에 의해 차단되는 방향으로 전압이 인가된다.

# 순방향 차단 모드: 다이오드가 전류를 흘리게 하는 방향으로 전압이 인가되지만, 사이리스터가 전도 상태로 트리거되지 않았다.

# 순방향 전도 모드: 사이리스터가 전도 상태로 트리거되었으며, 순방향 전류가 "유지 전류" 이하로 떨어질 때까지 전도 상태를 유지한다.

사이리스터는 양극(애노드)에서부터 순차적으로 J₁, J₂, J₃로 명명된 세 개의 pn 접합을 가지고 있다.

게이트에 전압이 인가되지 않은 상태에서 양극이 음극에 대해 양의 전위 V_AK를 가지면, J₁과 J₃ 접합은 순방향 바이어스되고, J₂ 접합은 역방향 바이어스된다. J₂가 역방향 바이어스되므로 전류가 흐르지 않는다(차단 상태). V_AK가 사이리스터의 항복 전압 V_BO를 초과하여 증가하면, J₂의 애벌랜치 항복이 발생하고 사이리스터가 도통을 시작한다(도통 상태).

음극에 대해 게이트 단자에 양의 전위 V_G를 인가하면, J₂ 접합의 항복이 더 낮은 V_AK 값에서 발생한다. 적절한 V_G 값을 선택함으로써 사이리스터를 빠르게 도통 상태로 전환할 수 있다.

일반적인 사이리스터는 게이트 단자에 의해 턴온되면, 애노드 전류가 래칭 전류(''I''_L)를 초과하는 한, 온 상태를 유지한다. 애노드가 양의 바이어스를 유지하는 한, 전류가 홀딩 전류(''I''_H) 이하로 떨어지지 않는 한 턴오프될 수 없다. 정상 작동 조건에서 래칭 전류는 항상 홀딩 전류보다 크다.

사이리스터는 외부 회로에 의해 애노드가 음의 바이어스가 되면 턴오프될 수 있다(자연 정류 또는 라인 정류라고 함). 어떤 응용 분야에서는 두 번째 사이리스터를 스위칭하여 첫 번째 사이리스터의 애노드에 커패시터를 방전시켜 이 작업을 수행한다. 이 방법을 강제 정류라고 한다.

사이리스터를 통과하는 전류가 홀딩 전류 이하로 떨어지면, 애노드에 양의 바이어스를 가하고 사이리스터를 오프 상태로 유지하기 전에 지연이 필요하다. 이 최소 지연 시간을 회로 정류 턴오프 시간(''t''_Q)이라고 한다.

가정용 교류 전원보다 높은 주파수의 응용 분야에서는 ''t''_Q 값이 낮은 사이리스터가 필요하다. 이러한 고속 사이리스터는 전하 재결합 중심 역할을 하는 중금속 이온(예: 금 또는 백금)을 실리콘에 확산시켜 제작할 수 있다. 오늘날 고속 사이리스터는 일반적으로 실리콘의 전자 또는 양성자 조사 또는 이온 주입을 통해 제작된다.

사이리스터는 게이트(G), 캐소드(K), 애노드(A)라고 불리는 세 개의 전극을 가지고 있으며, 주로 게이트(G)에서 캐소드(K)로 흐르는 게이트 전류를 변화시킴으로써 애노드(A)와 캐소드(K) 사이를 흐르는 전류를 제어할 수 있다.

P형 반도체를 P, N형 반도체를 N이라고 하면, 사이리스터는 PNPN의 4중 구조이다. 처음 P에 애노드, 마지막 N에 캐소드가 연결되고, 중앙 두 개 중 하나에 게이트 단자가 연결되어 있다. P형 반도체에서 게이트 단자(게이트 전극, 제어 전극이라고도 함)를 빼낸 것을 P게이트, N형 반도체에서 게이트 단자를 빼낸 것을 N게이트라고 부른다. N게이트 방식은 Programmable Uni junction Transistor로 동작한다. 원리는 PNP 트랜지스터와 NPN 트랜지스터를 조합한 복합 회로와 등가이다.

사이리스터는 고전적인 기계 스위치와 마찬가지로 스위칭 기능을 가지고 있다. 기계 스위치의 ON을 반도체에서는 "도통"이라고 하며, 전류가 소자를 통과하여 회로에 흐르는 상태를 의미한다. 또한 OFF 상태를 "비도통"이라고 한다. 비도통에서 도통으로의 과정을 "점호" 또는 "턴온"이라고 한다. 반대로 도통에서 비도통으로의 과정을 "소호" 또는 "턴오프"라고 한다. 그리고 이들을 제어하는 장치를 "게이트 드라이브" 또는 "게이트 장치"라고 부르며, 스위치의 손잡이에 해당하는 게이트 단자가 사이리스터의 동작을 제어한다.

이러한 특징을 살려, 일단 도통 상태가 되면 통과 전류가 0이 될 때까지 도통 상태를 유지하는 것이 바람직한 용도에 사용된다(카메라의 전자 플래시 제어 등). 이러한 특성 때문에 과전류 내량이 매우 크고 일반적인 퓨즈로도 소자를 보호할 수 있으므로, 전원 - 사이리스터 - 부하의 연결로 사용하는 위상 제어용으로 매우 좋은 소자이다. 특히, 대전력 제어의 경우 전류 0의 타이밍에서 OFF되므로 서지 방지에 탁월하다.

하지만 인버터와 같이 전원에 대해 2개를 직렬로 연결한 것을 병렬로 하는 회로 구성에서는 최악의 경우 사이리스터로 전원을 단락시키게 되므로 충분한 보호 회로를 조합하는 것이 필요하다.

캐리어를 쉽게 끌어내기 위해 게이트 전극으로 캐소드 전극 주위를 감싸고, 애노드 전극은 역방향 차단 3단자 사이리스터에서 두 번째로 접합된 N형 반도체와, 거기에 매립되도록 접합된 미세하게 분할된 P형 반도체 양쪽에 연결되어 있다. 이것을 동심원상으로 다수 병렬 접속하여 세라믹 등의 케이스에 봉입한 것이다.

GTO 사이리스터는 케이스에서 끌어낸 게이트 전극을 통해 게이트 드라이브에 연결되는 반면, GCT 사이리스터는 적층 구조를 기본으로 하며, 게이트 전극이 링 모양의 금속판으로 기판에 쌓여 있다. 기판에는 수천 개에 달하는 사이리스터가 동심원상으로 병렬 연결되어 있으며, 게이트 전극이 캐소드 전극을 둘러싸고 있는 점은 GTO 사이리스터와 같다. 집적화 게이트 전류형 사이리스터(Integrated GCT)는 GCT와 이를 구동하는 게이트 드라이브를 쌓아 하나로 통합한 것이다.

턴오프는 사이리스터로 흘러 들어오는 모든 전류를 게이트 회로 쪽으로 흘려보내는 방식으로 이루어진다. 게이트 전극을 링 모양으로 함으로써 점이 아닌 선으로 접촉하여 반도체의 넓은 영역에 전압을 걸 수 있게 되어 고효율이 달성되었다. 또한, 금속판 게이트 전극과 선형 게이트 전극은 서로 움직일 수 있도록 탄성 재료로 눌러져 있다.

역방향 차단 전압 내성이 없는 것도 특징이며, 역차단 능력을 갖춘 역차단형 GCT 사이리스터(SGCT: Symmetrical GCT)도 라인업에 있다.

3. 1. 점호 (Turn-on)

사이리스터는 양극(애노드)에서부터 순차적으로 J₁, J₂, J₃로 명명된 세 개의 pn 접합을 가지고 있다.

게이트에 전압이 인가되지 않은 상태에서 양극이 음극에 대해 양의 전위 V_AK를 가지면, J₁과 J₃ 접합은 순방향 바이어스되고, J₂ 접합은 역방향 바이어스된다. J₂가 역방향 바이어스되므로 전류가 흐르지 않는다(차단 상태). V_AK가 사이리스터의 항복 전압 V_BO를 초과하여 증가하면, J₂의 애벌랜치 항복이 발생하고 사이리스터가 도통을 시작한다(도통 상태).

음극에 대해 게이트 단자에 양의 전위 V_G를 인가하면, J₂ 접합의 항복이 더 낮은 V_AK 값에서 발생한다. 적절한 V_G 값을 선택함으로써 사이리스터를 빠르게 도통 상태로 전환할 수 있다.

사이리스터에 순방향 바이어스를 건 후 게이트에 전류를 통과(트리거)시키면, J₂에서 J₃으로의 누설 전류가 게이트 전류에 의해 가속되어 애벌런치 항복을 일으켜 애노드와 캐소드 간이 도통한다. 이때의 게이트 전류는 애노드-캐소드 간보다 작아도 된다.

게이트 전류의 발생에는 예전에는 UJT가 많이 사용되었다. 또한 트라이액에서는 다이액과 짝으로 사용되는 경우가 많다.

일단 애벌랜치 항복이 발생하면, 전위 V_AK가 제거되거나, 소자(양극-음극)를 통과하는 전류가 제조업체가 지정한 유지 전류보다 작아질 때까지 게이트 전압에 관계없이 사이리스터는 계속 도통한다. 따라서 V_G는 UJT 완화 발진기의 전압 출력과 같은 전압 펄스가 될 수 있다.

게이트 펄스는 게이트 트리거 전압(V_GT)과 게이트 트리거 전류(I_GT)의 측면에서 특징지어진다. 게이트 트리거 전류는 게이트 펄스 폭에 반비례하여 변화하는데, 사이리스터를 트리거하는 데 필요한 최소 게이트 전하가 존재한다는 것이 분명하다.

3. 2. 소호 (Turn-off)

사이리스터는 한 번 도통되면 게이트 전류를 차단해도 전류가 0이 될 때까지 도통 상태를 유지한다. 일반적인 사이리스터는 게이트 단자에 의해 턴온되면, 애노드 전류가 래칭 전류(''I''_L)를 초과하는 한 온 상태를 유지한다. 애노드가 양의 바이어스를 유지하는 한, 전류가 홀딩 전류(''I''_H) 이하로 떨어지지 않는 한 턴오프될 수 없다.

사이리스터를 소호(Turn-off)하기 위해서는 외부 회로를 통해 애노드가 음의 바이어스가 되도록 한다 (자연 정류 또는 라인 정류). 어떤 응용 분야에서는 두 번째 사이리스터를 스위칭하여 첫 번째 사이리스터의 애노드에 커패시터를 방전시켜 강제 정류를 하기도 한다. 교류 전원의 경우, 전압이 0이 되는 순간이 있기 때문에 자연스럽게 소호된다.

전류가 홀딩 전류 이하로 떨어지면, 애노드에 양의 바이어스를 가하고 사이리스터를 오프 상태로 유지하기 전에 지연이 필요하다. 이 최소 지연 시간을 회로 정류 턴오프 시간(''t''_Q)이라고 한다.

가정용 교류 전원보다 높은 주파수의 응용 분야에서는 ''t''_Q 값이 낮은 사이리스터가 필요하다. 이러한 고속 사이리스터는 전하 재결합 중심 역할을 하는 중금속 이온(예: 금 또는 백금)을 실리콘에 확산시켜 제작할 수 있다. 오늘날 고속 사이리스터는 일반적으로 실리콘의 전자 또는 양성자 조사 또는 이온 주입을 통해 제작된다.

전원 자체가 직류인 경우에는 사이리스터에 역바이어스를 걸어야 한다. 역차단 3단자 사이리스터와 역도통 사이리스터는 자기소호 능력을 가지지 않기 때문에, 사이리스터를 소호하기 위한 소자가 별도로 필요하다. 소호 전용 회로를 전류 회로라고 부르며, 예를 들어 전류 회로의 소자를 사이리스터로 하면, 그 사이리스터를 온으로 하여 주회로 측 사이리스터에 역바이어스를 건다.

3. 3. 스위칭 특성

사이리스터는 래칭 전류(''I''_L)와 홀딩 전류(''I''_H)라는 특성 값을 가진다. 턴온 후에는 전류가 래칭 전류 이상으로 유지되어야 하며, 턴오프를 위해서는 전류를 홀딩 전류 이하로 낮춰야 한다. 정상 작동 조건에서 래칭 전류는 항상 홀딩 전류보다 크다.

일반적인 사이리스터는 게이트 단자에 의해 턴온되면, 애노드 전류가 ''I''_L을 초과하는 한, 온 상태를 유지한다. 애노드가 양의 바이어스를 유지하는 한, 전류가 ''I''_H 이하로 떨어지지 않는 한 턴오프될 수 없다.

사이리스터는 외부 회로에 의해 애노드가 음의 바이어스가 되면 턴오프될 수 있다(자연 정류 또는 라인 정류라고 함). 어떤 응용 분야에서는 두 번째 사이리스터를 스위칭하여 첫 번째 사이리스터의 애노드에 커패시터를 방전시켜 이 작업을 수행하며, 이를 강제 정류라고 한다.

사이리스터를 통과하는 전류가 홀딩 전류 이하로 떨어지면, 애노드에 양의 바이어스를 가하고 사이리스터를 오프 상태로 유지하기 전에 지연이 필요하며, 이 최소 지연 시간을 회로 정류 턴오프 시간(''t''_Q)이라고 한다. 이 시간 내에 애노드에 양의 바이어스를 가하려고 하면 아직 재결합되지 않은 나머지 전하 캐리어(정공과 전자)에 의해 사이리스터가 자체적으로 트리거된다.

가정용 교류 전원보다 높은 주파수의 응용 분야에서는 ''t''_Q 값이 낮은 사이리스터가 필요하다. 이러한 고속 사이리스터는 전하 재결합 중심 역할을 하는 중금속 이온(예: 금 또는 백금)을 실리콘에 확산시켜 제작할 수 있다. 오늘날 고속 사이리스터는 일반적으로 실리콘의 전자 또는 양성자 조사 또는 이온 주입을 통해 제작된다. 조사는 실리콘 처리의 상당히 늦은 단계에서도 미세 단계로 투여량을 조정할 수 있기 때문에 중금속 도핑보다 다재다능하다.

4. 종류

ACS
ACST
AGT: 양극 게이트 사이리스터(Anode Gate Thyristor): 양극 근처의 N형 층에 게이트가 있는 사이리스터
ASCR: 비대칭 SCR
BCT: 양방향 제어 사이리스터(Bidirectional Control Thyristor): 별도의 게이트 접점을 가진 두 개의 사이리스터 구조를 포함하는 양방향 스위칭 소자
BOD: 브레이크오버 다이오드: 애벌랜치 전류에 의해 트리거되는 게이트 없는 사이리스터
* 다이액: 양방향 트리거 소자
* 다이니스터(Dynistor): 단방향 스위칭 소자
* 쇼클리 다이오드: 단방향 트리거 및 스위칭 소자
* 사이다크: 양방향 스위칭 소자
* 트리실, 사이다크터(SIDACtor): 양방향 보호 소자
BRT: 베이스 저항 제어 사이리스터(Base Resistance Controlled Thyristor)
ETO: 에미터 턴오프 사이리스터^[5]
GTO: 게이트 턴오프 사이리스터
* DB-GTO: 분산 버퍼 게이트 턴오프 사이리스터(Distributed buffer gate turn-off thyristor)
* MA-GTO: 개량된 양극 게이트 턴오프 사이리스터(Modified anode gate turn-off thyristor)
IGCT: 통합 게이트 정류 사이리스터(Integrated gate-commutated thyristor)
이그나이터(Ignitor): 점화 회로용 스파크 발생기
LASCR: 광 활성 SCR 또는 LTT: 광 트리거 사이리스터(light-triggered thyristor)
LASS: 광 활성 반도체 스위치(light-activated semiconducting switch)
MCT: MOSFET 제어 사이리스터(MOSFET Controlled Thyristor): 온/오프 제어를 위한 두 개의 추가적인 FET 구조를 포함한다.
CSMT 또는 MCS: MOS 복합 정적 유도 사이리스터(MOS composite static induction thyristor)
PUT 또는 PUJT: 프로그래머블 유니정션 트랜지스터(Programmable Unijunction Transistor): 양극 근처의 N형 층에 게이트가 있는 사이리스터로, 유니정션 트랜지스터의 기능적 대체물로 사용된다.
RCT: 역도통 사이리스터(Reverse Conducting Thyristor)
SCS: 실리콘 제어 스위치 또는 사이리스터 테트로드(Silicon Controlled Switch or Thyristor Tetrode): 캐소드와 양극 게이트를 모두 갖춘 사이리스터
SCR: 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifier)
SITh: 정적 유도 사이리스터 또는 FCTh: 필드 제어 사이리스터(Field Controlled Thyristor): 양극 전류 흐름을 차단할 수 있는 게이트 구조를 포함한다.
트라이액: 교류용 삼극관(Triode for Alternating Current): 공통 게이트 접점을 가진 두 개의 사이리스터 구조를 포함하는 양방향 스위칭 소자
쿼드랙: 다이액과 트라이액을 단일 패키지로 결합한 특수한 유형의 사이리스터

=== 역도통 사이리스터 (RCT) ===

역도통 사이리스터(Reverse Conducting Thyristor, RCT)는 사이리스터와 다이오드를 역병렬로 조합하여 하나의 소자로 구성한 것이다.^[16] 초퍼, 인버터 회로에 주로 사용되었으나, GTO에 밀려 사용 빈도가 줄었다.^[16]

역도통 타이리스터는 통합된 역방향 다이오드를 가지고 있어 역방향 차단이 불가능하다. 이러한 소자는 역방향 또는 프리휠 다이오드를 사용해야 하는 경우에 유리하다. SCR과 다이오드가 동시에 도통되지 않아 열 발생이 적고, 쉽게 통합 및 냉각할 수 있다.

일반적으로 브리지 형태로 개별 배선하는 환류 다이오드와 사이리스터를 하나의 기판 위에 통합한 것이다.^[16] 배선 단순화와 소형화가 가능하다는 특징이 있다.

RCT는 Reverse Conducting Thyristor의 머리글자를 따서 붙인 이름이다.^[17] 역방향 전류를 흘리지 않는 단방향 반도체 소자의 대부분에 이 배선을 채택한 것이 있으며, 예를 들어 GTO 사이리스터라면 역도통 GTO 사이리스터라고 부른다. 전기 철도의 직류 전동기 쵸퍼 제어와 VVVF 인버터 제어 초기에 사용되었으며, 스위칭 주파수는 300Hz 정도이다.

=== 광 사이리스터 ===

광 사이리스터는 광신호에 의해 직접 점호(点弧)되는 사이리스터이다. 제어 회로와 전력 회로를 완전히 절연할 수 있어 노이즈에 의한 오동작을 줄일 수 있다. 따라서 고전압 교류 전원 회로에 이용된다.

광 트리거 사이리스터(LTT)는 게이트에 전자기파(일반적으로 적외선)가 광섬유를 통해 결합되는 광 감지 영역이 있다. 트리거링을 위해 사이리스터의 전위에 전자 기판을 제공할 필요가 없으므로, 광 트리거 사이리스터는 고압 직류 송전(HVDC)과 같은 고전압 응용 분야에 유리하다.

광 사이리스터는 내장 과전압(VBO) 보호 기능을 갖추고 있으며, 사이리스터 양단의 순방향 전압이 너무 높아지면 사이리스터를 트리거한다.

일반적인 광 사이리스터로는 광 활성 SCR(LASCR)과 광 활성 트라이액(TRIAC)이 있다. LASCR은 빛에 노출되면 켜지는 스위치 역할을 하며, 빛이 없더라도 전원이 차단되지 않고 음극과 양극의 극성이 아직 반전되지 않은 경우 "켜짐" 상태를 유지한다. 광 활성 TRIAC는 LASCR과 유사하지만, 교류 전류용으로 설계되었다.

구체적인 적용 예로는 주파수 변환 설비(FC), 직류 송전 설비(HVDC)의 교직 변환 장치, 무효전력 보상 장치(SVC), 대용량 회전기의 시동 장치(SS) 등이 있다.

=== 게이트 턴오프 사이리스터 (GTO) ===

'''게이트 턴오프 사이리스터'''(Gate Turn Off thyristor)는 머리글자를 따서 '''GTO 사이리스터''' 또는 간단히 '''GTO'''라고도 불리는 자체 소호 소자이다. 게이트 전극에 음전압 신호를 주고, 캐소드에 양전압 신호를 주어 소호할 수 있다. 스위칭 주파수는 450Hz이다. 점호용 게이트 드라이브는 간단하지만, 소호 시에는 큰 전류가 필요하므로 여러 단의 바이폴라 트랜지스터를 동시에 도통시켜 큰 서지를 발생시켜 승압해야 한다. 사용 시에는 애노드 리액터와 스너버 회로가 필수적이다.

GTO 사이리스터는 대전력 용도로 사용되며, 특히 1990년대 후반까지 전기 철도의 VVVF 인버터 제어에 주력으로 사용되었다. 東京都交通局이나 영단 등에서는 전기자 초퍼 제어 말기에 사용되었고, 고주파 분권 초퍼 제어나 초기의 정지형 인버터, 정류기에도 사용되었다. 90년대에는 전압 내성과 출력의 높이를 바탕으로 하나의 인버터 장치로 2량분 8개의 주전동기를 구동하는 (1C8M) 것이 가능해져, 경량화, 대용량화 및 비용 절감을 실현했다. 이는 IGBT도 달성하기 어려운 성능이다.

역도통 GTO 사이리스터는 장치의 소형 경량화에 적합하여 일본 내 노면 전차의 대부분에 채용되고 있다. 일반적인 전차에 대한 채용 사례로는 JR동일본 E127계 전동차가 있다.

=== 게이트 전류형 사이리스터 (GCT) ===

미쓰비시전기가 1995년에 세계 최초로 개발한 것으로^[24], GTO 사이리스터의 게이트를 중심으로 개량한 것이다. 스너버 회로가 불필요하게 되어 저손실화를 실현한 데다, 인덕턴스 감소에 따라 스위칭 주파수가 10배가 되었다. 사이리스터와 게이트 드라이브 간의 인덕턴스는 1/100 정도까지 저감되었다. 또한 턴온 시의 전류 상승률에 대한 내량이 향상되어 애노드 리액터도 불필요하게 된다. 최근에는 PIN 접합이나 SiC(Silicon Carbide: 탄화규소)를 사용하여 110k VA급 용량을 가진 인버터 장치가 간사이전력과 영국 Cree사의 공동 개발에 의해 실현되고 있다^[25]. 역도통형 (Reverse conducting GCT: RGCT)이나 전압형 인버터로서 역도전형도 라인업되어 있다.

현재 용도는 대부분 압연기 구동용이지만, 이를 더욱 개량한 Integrated GCT (IGCT) 사이리스터를 사용한 고속 열차가 한국고속철도 KTX의 차세대 차량 HSR-350x로 시제작되었다. 시속 352.4km/h를 기록했지만, 소자 파괴를 반복했기 때문에 IGBT로의 이전을 검토하고 있다(최종적으로 IGCT 채용).

=== 정전유도 사이리스터 (SITh) ===

정전유도 사이리스터는 고속으로 대전류를 제어할 수 있는 반도체 소자이다. 트리거 전압이 낮고, 턴오프가 빠르며 자기 제어형 GTO(Gate Turn-off thyristor)와 같은 ON-OFF 소자로, 도요덴키(東洋電機)에서 1988년에 출시되었다. 정전유도 소자의 일종으로 고출력, 고주파수의 전력용 반도체 소자이다. 실질적으로는 p+ 전극 형태의 게이트 구조를 갖춘 p+nn+ 다이오드이다. 소자의 구조는 애노드(anode) 측에 추가된 p+층을 제외하고는 대개 정전유도 트랜지스터와 같다.

일반적으로 도통 상태에서 OFF로 하려면 음의 전압을 인가해야 한다. 정전유도 사이리스터의 도통 상태는 PIN 다이오드의 동작과 유사하다.

=== 쌍방향 사이리스터 (TRIAC) ===

쌍방향 사이리스터(TRIAC)는 두 개의 사이리스터를 역병렬로 접속하여 양방향으로 전류를 흘릴 수 있도록 한 소자이다. TRIAC는 Triode AC Switch의 약어이며, 1964년 GE사에서 최초로 개발되었다. 실제 소자는 2개의 소자를 접속한 것이 아니라, 모노리식 구조를 하고 있다.

주로 교류의 쌍방향 스위칭 제어에 이용된다. 트라이액은 양방향으로 전류가 흐를 수 있기 때문에, 리액턴스 부하가 교류 전력 사이클의 영전압 순간에 꺼지지 않게 할 수 있다. 이러한 이유로 높은 인덕턴스를 가진 모터 부하에 트라이액을 사용하는 경우, 일반적으로 트라이액 주변에 "스너버" 회로를 사용하여 각 반주기마다 주전원이 꺼지도록 한다.

4. 1. 역도통 사이리스터 (RCT)

역도통 사이리스터(Reverse Conducting Thyristor, RCT)는 사이리스터와 다이오드를 역병렬로 조합하여 하나의 소자로 구성한 것이다.^[16] 초퍼, 인버터 회로에 주로 사용되었으나, GTO에 밀려 사용 빈도가 줄었다.^[16]

역도통 타이리스터는 통합된 역방향 다이오드를 가지고 있어 역방향 차단이 불가능하다. 이러한 소자는 역방향 또는 프리휠 다이오드를 사용해야 하는 경우에 유리하다. SCR과 다이오드가 동시에 도통되지 않아 열 발생이 적고, 쉽게 통합 및 냉각할 수 있다.

일반적으로 브리지 형태로 개별 배선하는 환류 다이오드와 사이리스터를 하나의 기판 위에 통합한 것이다.^[16] 배선 단순화와 소형화가 가능하다는 특징이 있다.

RCT는 Reverse Conducting Thyristor의 머리글자를 따서 붙인 이름이다.^[17] 역방향 전류를 흘리지 않는 단방향 반도체 소자의 대부분에 이 배선을 채택한 것이 있으며, 예를 들어 GTO 사이리스터라면 역도통 GTO 사이리스터라고 부른다. 전기 철도의 직류 전동기 쵸퍼 제어와 VVVF 인버터 제어 초기에 사용되었으며, 스위칭 주파수는 300Hz 정도이다.

4. 2. 광 사이리스터

광 사이리스터는 광신호에 의해 직접 점호(点弧)되는 사이리스터이다. 제어 회로와 전력 회로를 완전히 절연할 수 있어 노이즈에 의한 오동작을 줄일 수 있다. 따라서 고전압 교류 전원 회로에 이용된다.

광 트리거 사이리스터(LTT)는 게이트에 전자기파(일반적으로 적외선)가 광섬유를 통해 결합되는 광 감지 영역이 있다. 트리거링을 위해 사이리스터의 전위에 전자 기판을 제공할 필요가 없으므로, 광 트리거 사이리스터는 고압 직류 송전(HVDC)과 같은 고전압 응용 분야에 유리하다.

광 사이리스터는 내장 과전압(VBO) 보호 기능을 갖추고 있으며, 사이리스터 양단의 순방향 전압이 너무 높아지면 사이리스터를 트리거한다.

일반적인 광 사이리스터로는 광 활성 SCR(LASCR)과 광 활성 트라이액(TRIAC)이 있다. LASCR은 빛에 노출되면 켜지는 스위치 역할을 하며, 빛이 없더라도 전원이 차단되지 않고 음극과 양극의 극성이 아직 반전되지 않은 경우 "켜짐" 상태를 유지한다. 광 활성 TRIAC는 LASCR과 유사하지만, 교류 전류용으로 설계되었다.

구체적인 적용 예로는 주파수 변환 설비(FC), 직류 송전 설비(HVDC)의 교직 변환 장치, 무효전력 보상 장치(SVC), 대용량 회전기의 시동 장치(SS) 등이 있다.

4. 3. 게이트 턴오프 사이리스터 (GTO)

'''게이트 턴오프 사이리스터'''(Gate Turn Off thyristor)는 머리글자를 따서 '''GTO 사이리스터''' 또는 간단히 '''GTO'''라고도 불리는 자체 소호 소자이다. 게이트 전극에 음전압 신호를 주고, 캐소드에 양전압 신호를 주어 소호할 수 있다. 스위칭 주파수는 450Hz이다. 점호용 게이트 드라이브는 간단하지만, 소호 시에는 큰 전류가 필요하므로 여러 단의 바이폴라 트랜지스터를 동시에 도통시켜 큰 서지를 발생시켜 승압해야 한다. 사용 시에는 애노드 리액터와 스너버 회로가 필수적이다.

GTO 사이리스터는 대전력 용도로 사용되며, 특히 1990년대 후반까지 전기 철도의 VVVF 인버터 제어에 주력으로 사용되었다. 東京都交通局이나 영단 등에서는 전기자 초퍼 제어 말기에 사용되었고, 고주파 분권 초퍼 제어나 초기의 정지형 인버터, 정류기에도 사용되었다. 90년대에는 전압 내성과 출력의 높이를 바탕으로 하나의 인버터 장치로 2량분 8개의 주전동기를 구동하는 (1C8M) 것이 가능해져, 경량화, 대용량화 및 비용 절감을 실현했다. 이는 IGBT도 달성하기 어려운 성능이다.

역도통 GTO 사이리스터는 장치의 소형 경량화에 적합하여 일본 내 노면 전차의 대부분에 채용되고 있다. 일반적인 전차에 대한 채용 사례로는 JR동일본 E127계 전동차가 있다.

4. 4. 게이트 전류형 사이리스터 (GCT)

미쓰비시전기가 1995년에 세계 최초로 개발한 것으로^[24], GTO 사이리스터의 게이트를 중심으로 개량한 것이다. 스너버 회로가 불필요하게 되어 저손실화를 실현한 데다, 인덕턴스 감소에 따라 스위칭 주파수가 10배가 되었다. 사이리스터와 게이트 드라이브 간의 인덕턴스는 1/100 정도까지 저감되었다. 또한 턴온 시의 전류 상승률에 대한 내량이 향상되어 애노드 리액터도 불필요하게 된다. 최근에는 PIN 접합이나 SiC(Silicon Carbide: 탄화규소)를 사용하여 110k VA급 용량을 가진 인버터 장치가 간사이전력과 영국 Cree사의 공동 개발에 의해 실현되고 있다^[25]. 역도통형 (Reverse conducting GCT: RGCT)이나 전압형 인버터로서 역도전형도 라인업되어 있다.

현재 용도는 대부분 압연기 구동용이지만, 이를 더욱 개량한 Integrated GCT (IGCT) 사이리스터를 사용한 고속 열차가 한국고속철도 KTX의 차세대 차량 HSR-350x로 시제작되었다. 시속 352.4km/h를 기록했지만, 소자 파괴를 반복했기 때문에 IGBT로의 이전을 검토하고 있다(최종적으로 IGCT 채용).

4. 5. 정전유도 사이리스터 (SITh)

정전유도 사이리스터는 고속으로 대전류를 제어할 수 있는 반도체 소자이다. 트리거 전압이 낮고, 턴오프가 빠르며 자기 제어형 GTO(Gate Turn-off thyristor)와 같은 ON-OFF 소자로, 도요덴키(東洋電機)에서 1988년에 출시되었다. 정전유도 소자의 일종으로 고출력, 고주파수의 전력용 반도체 소자이다. 실질적으로는 p+ 전극 형태의 게이트 구조를 갖춘 p+nn+ 다이오드이다. 소자의 구조는 애노드(anode) 측에 추가된 p+층을 제외하고는 대개 정전유도 트랜지스터와 같다.

일반적으로 도통 상태에서 OFF로 하려면 음의 전압을 인가해야 한다. 정전유도 사이리스터의 도통 상태는 PIN 다이오드의 동작과 유사하다.

4. 6. 쌍방향 사이리스터 (TRIAC)

쌍방향 사이리스터(TRIAC)는 두 개의 사이리스터를 역병렬로 접속하여 양방향으로 전류를 흘릴 수 있도록 한 소자이다. TRIAC는 Triode AC Switch의 약어이며, 1964년 GE사에서 최초로 개발되었다. 실제 소자는 2개의 소자를 접속한 것이 아니라, 모노리식 구조를 하고 있다.

주로 교류의 쌍방향 스위칭 제어에 이용된다. 트라이액은 양방향으로 전류가 흐를 수 있기 때문에, 리액턴스 부하가 교류 전력 사이클의 영전압 순간에 꺼지지 않게 할 수 있다. 이러한 이유로 높은 인덕턴스를 가진 모터 부하에 트라이액을 사용하는 경우, 일반적으로 트라이액 주변에 "스너버" 회로를 사용하여 각 반주기마다 주전원이 꺼지도록 한다.

5. 응용 분야

빨간색: 부하(출력) 전압
파란색: 트리거 전압]]

사이리스터는 주로 높은 전류와 전압이 필요한 곳에 사용되며, 종종 교류를 제어하는 데 사용된다. 전류의 극성이 바뀌면 장치가 자동으로 꺼지는데, 이를 "영점 통과" 동작이라고 한다. 이 장치는 동기적으로 작동한다고 할 수 있다. 즉, 장치가 트리거되면, 게이트 변조 없이 음극-양극 접합부에 인가된 전압과 위상을 맞춰 전류를 전도한다. 즉, 장치는 완전히 "온" 상태가 된다. 출력은 단방향으로(음극에서 양극으로만) 흐르므로 비대칭적이기 때문에, 이는 비대칭 동작과 혼동해서는 안 된다.

사이리스터는 위상각 트리거 제어기, 즉 위상 제어기의 제어 요소로 사용될 수 있다.

또한 디지털 회로의 전원 공급 장치에서 전원 공급 장치의 고장으로 인해 다운스트림 구성 요소가 손상되는 것을 방지하는 일종의 "향상된 차단기"로 사용된다. 사이리스터는 게이트에 연결된 제너 다이오드와 함께 사용되며, 공급 장치의 출력 전압이 제너 전압보다 높아지면 사이리스터가 전도하여 전원 공급 장치 출력을 접지로 단락시킨다(일반적으로 상위 차단기 또는 퓨즈도 트립시킵니다). 이러한 종류의 보호 회로를 크로우바라고 하며, 표준 차단기 또는 퓨즈보다 손상되는 전원 전압과 잠재적으로 저장된 에너지(전원이 공급되는 시스템 내)로부터 고전도 경로를 생성한다는 장점이 있다.

사이리스터의 최초 대규모 응용 분야는 1970년대 초 컬러 텔레비전 수상기 내부의 안정화된 전원 공급 장치와 관련된 트리거링 다이액과 함께 이루어졌습니다. 수상기의 안정화된 고전압 DC 전원은 사이리스터 장치의 스위칭 지점을 AC 전원 입력의 양의 반파의 낙하 경사를 따라 위아래로 이동시켜 얻었습니다(상승 경사를 사용하면 장치가 트리거될 때 출력 전압이 항상 최대 입력 전압으로 상승하여 규제의 목적을 무산시키기 때문입니다). 정확한 스위칭 지점은 DC 출력 전원의 부하와 AC 입력 변동에 따라 결정되었습니다.

사이리스터는 수십 년 동안 텔레비전, 영화, 극장에서 조명 밝기 조절기에 사용되어 자동 변압기 및 가변 저항과 같은 열등한 기술을 대체했다. 사진술에서도 플래시(스트로브)의 중요한 부품으로 사용되었다.

5. 1. 전력 시스템

변환소에 있는, 마니토바 하이드로 댐에서 장거리 송전에 사용되는 싸이리스터 밸브 스택

사이리스터는 메가와트(MW) 규모의 전력을 스위칭할 수 있어, 고압 직류 송전(HVDC) 시스템에서 교류(AC)와 직류(DC) 간의 변환의 핵심 요소로 사용된다.^[8]^[9] 사이리스터는 다이오드 브리지 회로로 구성되며, 고조파를 줄이기 위해 직렬로 연결되어 12펄스 변환기를 형성한다. 각 사이리스터는 탈이온수로 냉각되며, 전체 장치는 다층 밸브 스택인 "4중 밸브"의 한 층을 형성하는 여러 개의 동일한 모듈이 된다. 이러한 스택 세 개는 일반적으로 장거리 송전 시설의 변환소 바닥에 설치되거나 천장에 매달린다.^[10]^[11] 무효 전력 보상 장치 등에도 사용된다.

5. 2. 산업용

빨간색: 부하(출력) 전압
파란색: 트리거 전압]]

사이리스터는 높은 전류와 전압이 필요한 곳에 사용되며, 종종 교류를 제어하는 데 사용된다. 전류의 극성이 바뀌면 장치가 자동으로 꺼지는 "영점 통과" 동작을 한다. 사이리스터는 위상각 트리거 제어기, 즉 위상 제어기의 제어 요소로 사용될 수 있다.

또한 디지털 회로의 전원 공급 장치에서 전원 공급 장치의 고장으로 인해 다운스트림 구성 요소가 손상되는 것을 방지하는 일종의 "향상된 차단기"로 사용된다. 사이리스터는 게이트에 연결된 제너 다이오드와 함께 사용되며, 공급 장치의 출력 전압이 제너 전압보다 높아지면 사이리스터가 전도하여 전원 공급 장치 출력을 접지로 단락시킨다. 이러한 종류의 보호 회로를 크로우바라고 한다.

사이리스터는 수십 년 동안 텔레비전, 영화, 극장에서 조명 밝기 조절기에 사용되어 자동 변압기 및 가변 저항과 같은 열등한 기술을 대체했다. 사진술에서도 플래시(스트로브)의 중요한 부품으로 사용되었다. 전동기 제어, 용접기, 유도 가열 장치 등 대전력 제어가 필요한 산업 현장에서도 널리 사용된다.

5. 3. 가전 제품

사이리스터는 1970년대 초 컬러 텔레비전 수상기 내부의 안정화된 전원 공급 장치에 응용되었다. 또한 텔레비전, 영화, 극장에서 조명 밝기 조절기와 사진술에서 플래시(스트로브)의 중요한 부품으로 사용되었다.

다이오드 여러 개로 구성된 정류 회로에서 사이리스터가 교류 전류를 제어하는 파형.
빨간색: 부하(출력) 전압
파란색: 트리거 전압

5. 4. 기타

사이리스터는 높은 전류와 전압이 필요한 곳에 사용되며, 주로 교류를 제어하는 데 사용된다. 전류의 극성이 바뀌면 자동으로 꺼지는 "영점 통과" 동작을 하며, 이는 동기적으로 작동하는 것이다. 위상 제어기의 제어 요소로 사용될 수 있다.

또한 디지털 회로의 전원 공급 장치에서 크로우바 회로를 구성하여, 과전압 발생 시 전원 공급 장치 출력을 접지로 단락시켜 다운스트림 구성 요소를 보호하는 데 사용된다.

1970년대 초, 컬러 텔레비전 수상기 내부의 안정화된 전원 공급 장치에 다이액과 함께 사용되면서 대규모 응용이 시작되었다. 텔레비전, 영화, 극장에서 조명 밝기 조절기로 사용되어 자동 변압기 및 가변 저항과 같은 기술을 대체했으며, 사진술에서도 플래시(스트로브)의 중요한 부품으로 사용된다.

6. 대한민국과의 관계

7. 한계 및 다른 소자와의 비교

사이리스터는 다이오드와 마찬가지로 한 방향으로만 전류가 흐르기 때문에 교류에는 안전하게 사용할 수 없다. 유사한 자체 래칭 5층 소자로 트라이액(TRIAC)이라고 불리는 소자는 양방향으로 작동할 수 있다. 그러나 트라이액은 양방향으로 전류가 흐를 수 있기 때문에 리액턴스 부하가 교류 전력 사이클의 영전압 순간에 꺼지지 않게 할 수 있다. 이 때문에 높은 인덕턴스를 가진 모터 부하에 트라이액을 사용하는 경우 일반적으로 트라이액 주변에 "스너버(snubber)" 회로를 사용하여 각 반주기마다 주전원이 꺼지도록 해야 한다. 역병렬 SCR도 트라이액 대신 사용할 수 있다. 각 SCR 쌍에 전체 반주기 동안 역극성이 인가되기 때문에 트라이액과 달리 SCR은 확실히 꺼진다. 그러나 이러한 구성은 두 개의 별도이지만 본질적으로 동일한 게이팅 회로가 필요하다.

사이리스터는 메가와트급 정류(AC-DC)에 많이 사용되지만, 수십 와트에서 수십 킬로와트의 저전력 및 중전력 응용 분야에서는 파워 MOSFET 또는 IGBT와 같이 우수한 스위칭 특성을 가진 다른 소자로 거의 대체되었다. SCR과 관련된 주요 문제 중 하나는 완전 제어 가능한 스위치가 아니라는 점이다. GTO 사이리스터와 IGCT는 이 문제를 해결하는 사이리스터와 관련된 두 가지 소자이다. 고주파 응용 분야에서 사이리스터는 바이폴라 전도로 인한 긴 스위칭 시간으로 인해 적합하지 않다. 반면 MOSFET은 단극 전도(오직 다수 캐리어만 전류를 운반)로 인해 훨씬 빠른 스위칭 성능을 가지고 있다.

최근에는 높은 스위칭 주파수를 쉽게 얻을 수 있는 트랜지스터가 부상하고 있지만, 사이리스터도 트랜지스터에 필적하는 스위칭 주파수를 가진 제품이 있고, 사이리스터의 특징인 대전력 영역에서의 활용, 그리고 새로운 반도체 재료와 PIN 접합으로 설계할 수 있는 등 사이리스터의 적용 분야와 우위성은 여전히 존재한다.

참조

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_[2] 서적 Electronic devices and circuits https://www.worldcat[...] New Age International 2003
_[3] 서적 Standard Handbook of Electrical Engineering McGraw-Hill 2005
_[4] 웹사이트 Silicon Carbide Inverter Demonstrates Higher Power Output https://web.archive.[...] Power Electronics Technology 2020-10-22
_[5] 서적 Power Electronics Pearson 2011
_[6] 웹사이트 "Safe Firing of Thyristors" http://www.powerguru[...] powerguru.org 2024-03-01 # 추정 날짜
_[7] 웹사이트 di/dt and dv/dt Ratings and Protection of SCR or Thyristor https://www.electron[...] 2021-12-05
_[8] 서적 High Voltage Direct Current Transmission – Proven Technology for Power Exchange http://www.siemens.c[...] Siemens 2013-08-04
_[9] 논문 ETT vs. LTT for HVDC https://library.e.ab[...] ABB Asea Brown Boveri 2014-01-24
_[10] 웹사이트 HVDC Thyristor Valves https://web.archive.[...] ABB Asea Brown Boveri 2008-12-20
_[11] 웹사이트 High Power https://web.archive.[...] Institution of Engineering and Technology (IET) 2009-07-12
_[12] 웹사이트 サイリスタとは https://kotobank.jp/[...] 2022-08-01
_[13] 웹사이트 トランジスタはすごい！ http://www.freelab.j[...] FreeLab 2010-03-31
_[14] 웹사이트 日本財団図書館（電子図書館）平成15年度通信講習用船舶電気装備技術講座（電気機器編、初級） http://nippon.zaidan[...] 日本船舶電装協会 2009-03-30
_[15] 웹사이트 「宮崎研究所」の技術講座「電気と電子のお話」4.4.(1) http://www.miyazaki-[...] 有限会社宮崎技術研究所宮崎誠一、宮崎仁 2009-03-19
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_[22] 간행물 パワーデバイスの最近の進歩 https://www.hitachih[...] 日立評論 1986-08
_[23] 간행물 電機子チョッパ車の30年鉄道ピクトリアル 1999-03
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