사이리스터(thyristor)란?

전력용 반도체 소자 중 하나인 사이리스터는 실리콘 제어 정류기(SCR, Silicon-Controlled Rectifier)와 같은 의미로 사용되며, 전력용 반도체 스위치 중 핵심 소자로 전력 변환 장치에 광범위하게 사용되고 있다.

 

사이리스터의 종류는 강제 전류 사이리스터, 선전류 사이리스터, 게이트 턴오프 사이리스터(GTO), 역도통 사이리스터(RCT), 정전 유도 사이리스터(SITH), 게이트 보조 턴오프 사이리스터(GATT), 광 실리콘 제어 정류기(LASCR), MOS 턴오프(MTO), MOS 제어 사이리스터(MCT) 등이 있다.

 

사이리스터는 애노드(anode), 캐소드(cathode), 게이트(gate)의 세 단자로 구성되어 있다. 전류의 방향은 애노드에서 캐소드로 항상 동일하다. 사이리스터가 오프 상태에서 온 상태로 전환되는 것을 턴온, 반대의 경우를 턴오프라고 부른다.

 

일반적인 사이리스터는 게이트 제어에 의한 턴오프 기능이 없으므로, 게이트 전류가 '0'이 되었을 때, 턴오프 된다.

사이리스터의 구조

사이리스터는 4층의 PNPN 구조를 가지고 있다. 게이트 단자에 제어 신호가 입력되면 NPN 트랜지스터와 PNP 트랜지스터에 의해 동작이 되고, 온 상태가 된다. 온 상태로 되면 게이트 신호로 턴오프 시킬 수 없다. 오프 시키기 위해서는 유지 전류 이하로 전류를 감소시키거나 극성을 반전시켜야 한다.

 

사이리스터의 온•오프

실리콘 제어 정류기, SCR은 애노드와 캐소드 간 전압이 0을 초과하고 양(+)의 게이트 전류 펄스를 인가한 경우 턴온되고, 도통이 되면 게이트 전류 펄스가 사라져도 온 상태를 유지하는 특성을 갖는다. 전류는 애노드에서 캐소드로의 한 방향으로만 흐르며, 순방향 전압 강하는 약 1~3V 이다.

게이트 전류 펄스를 인가하지 않고도 SCR를 턴온시킬 수 있으나 반드시 피해야 한다.

• 내부 접합면에 빛을 쬔 경우
• 접합면이 허용 온도 이상인 경우
• 애노드와 캐소드 간 전압의 상승률이 기준값을 초과한 경우
• 과도한 크기의 애노드 전압이 인가된 경우

SCR은 게이트 전류에 의해 턴온시킬 수 있으나, 게이트 전류에 의해 턴오프 시킬 수는 없다.

턴오프하기 위해서는 애노드 측 전류를 0으로 만들거나, 역전압을 가하거나, 강제전류 회로를 사용해야 한다. 즉, 도통 상태의 사이리스터는 애노드측 전위를 캐소드 측 전위와 등전위로 하거나 작게 해줌으로써 턴오프할 수 있다.

 

SCR은 턴오프된 후 다시 턴온되기 위해서는 일정한 회복 시간이 필요한데, 이 시간 간격을 턴오프 시간 간격(turn off time interval)이라고 한다. 오프 상태의 SCR은 순방향 전압과 역방향 전압의 차단 능력을 갖고, 이때 발생된 누설 전류는 동작 전류와 비교 시 무시 가능한 정도로 작다. 

 

애노드 전압이 캐소드 전압보다 일정 수준 이상인 경우, 누설 전류만이 애노드에서 캐소드로 흐르는 순방향 저지 또는 오프 상태가 된다. 그러나 애노드와 캐소드 간 전압이 충분히 증가한 경우, SCR은 도통 상태가 된다. 온 상태에서의 애노드 전류는 외부 임피던스에 의해 제어되고, 이러한 애노드 전류는 래칭 전류(latching current) 이상이 되어야 한다. 그렇지 않은 경우 양단의 전압이 감소되어 차단 상태가 된다. 따라서, 래칭 전류란 SCR이 턴온되고, 게이트 펄스 전류가 제거되어도 SCR이 온 상태를 유지하기 위해 애노드 전류의 최솟값이다. 

 

SCR이 도통되면 소자는 제어할 수 없고, 애노드 전류가 유지 전류(holding current) 미만으로 감소되어야 턴오프된다. 그러나 순방향 애노드 전류가 유지 전류 미만으로 감소되면, 사이리스터는 차단 상태가 된다.

애노드 유지 전류는 mA 단위이고, 래칭 전류보다 작다. 따라서, 유지 전류란 사이리스터가 온 상태를 유지하기 위한 최소의 애노드 전류이다.