PART6반도체 (Semiconductor) - 2
실험 3 :SCR 특성 (SCR Characteristic)
이론
보통의 스위칭 TR에서 ON상태의 내부저항을 낮게 하기 위해서는 콜렉터의 불순물농도를 높혀야 하는데 그러면 콜렉터의 역전압이 낮아진다. 이를 극복하기 위해 고역전압, 대전력용 스위칭 소자로 개발된 것이 그림 6-9 (a)와 같이 4층 구조와 3개 단자를 갖는 SCR(silicon controlled rectifier)이다. 이것을 사이리스터(thyristor)라고도 한다. 이러한 SCR은 게이트에 어느 정도 이상의 펄스전류를 흘려주어야만 애노드에서 캐소드로 순방향전류를 흘릴 수 있다(스위치 ON).
동작원리
SCR의 동작을 해석하기 위하여 그림 6-9(b)와 같이 중간의 두 층을 반으로 쪼개어 pnp TR과 npn TR가 접속된 것으로 생각하자.
- 게이트가 접지되면 Q1이 차단, 이때 ICI=IB2=ICO1은 Q2를 turn ON시키기에는 너무 작다. 즉 VGK=0에서 SCR은 OFF.
- 게이트에 충분히 큰 +전압(보통 펄스)을 인가하면 Q1이 turn ON, IC1=IB2가 Q2를 turn ON, IC1=IB2은 Q1을 더욱 turn ON시킨다. 즉, Q1 루프 내에서 정궤환(regeneration)이 일어나서 이 두 TR가 turn ON된다. 게이트에 전압이 인가되는 순간부터 SCR이 ON될 때까지의 시간을 SCR의 turn ON 시간이라 하며 보통 0.1 ~ 1μs이다.
- 일단 SCR이 turn ON되면 게이트전압을 제거해도 ON상태가 유지된다. SCR을 turn OFF시키려면 애노드 전압을 0 또는 -로 구동해야 한다. turn OFF시간은 1~30μs이다.
- 해석적으로 생각하면(전류의 극성에 관해서는 5장 참조)
- Q2에 유입하는 전류, 즉 애노드전류 I는
게이트전류가 흐르면 α값이 증가하여 α1+α2가 1에 이르면 애노드전류 I가 매우 크게 된다. 즉 SCR이 ON된다. 이와 같은 상태에서 게이트전류를 제거해도 SCR은 계속 ON 상태를 유지한다.
특성
그림 6-10(a)는 게이트전류를 0으로 유지하고 애노드전압을 변화시킬 때의 애노드전류의 변화를 그렸다. 애노드전압을 -방향으로 증가시키면 SCR의 애버란시항복이 일어난다. +방향으로 증가시키면 OA영역에서는 α1+α2가 작고 SCR은 역바이어스된 접합과 마찬가지로 동작한다. AB영역에서는 α값이 증가하여 breakover전압에서α1+α2=1에 이른다. 전류가 더 증가하면 SCR은 순방향으로 바이어스된 접합과 마찬가지로 동작한다. 즉 애노드전압이 급격히 떨어진 CD영역에서 동작한다. 이제 전류를 점 C에 대응하는 홀드전류(hold current)를 IH 이하로 감소시키면 동작점은 C에서 원점 0로 이동하여 SCR은 OFF된다.
게이트에 전류 IG를 흘리면 α값이 증가되고 브레이크오우버 전압이 낮아진다(그림 6-10 (b)). 보통 애노드전압을 IG=0시의 브레이크오우버 전압보다 낮게 걸고 게이트에 트리거신호를 걸어서 ON시킨다. 트리거 신호로서는 피이크전압 수 V, 피이크전류 수 mA ~ 수 10mA의 짧은 펄스를 쓴다.
실험 과정
1. M-06의 회로-3에서 G-3i 양단에 전류계를 연결하고 3f-A 양단에 병렬로 전압계를 연결하여 그림 6-11과 같이 회로를 구성한다.
2. 표 6-5에 주어진 것과 같이 입력전압을 변화시키면서 전압계와 전류계로부터 IG,IL,V0를 측정하여 해당란에 기록하라. 그리고 다시 입력전압을 서서히 줄이면서 Turn-OFF되는 지점의 전류(Turn-OFF 전류)를 기록하라. (단, R3는 최대가 되도록 시계방향으로 최대로 한다)
tab1실험 6-3.1 특성 측정 (M06의 Circuit-3에서 그림 6-11과 같이 회로를 구성한다.)
1.결선방법(M-06의 Circuit-3)
1.회로 결선
Circuit-3의 3f단자와 A 단자 간을 황색선으로 연결하고, 토글스위치 S1을 ON한다.
R3 값은 시계방향으로 돌려 최대로 한다.
2.전원 결선
M06 보드 좌측 Variable Power의 V1 단자와 3c 단자 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 3d 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
3.계측기 결선
전류계 결선
SCR 게이트 전류(IG) 측정 : 별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정하며, Circuit-3의 3i Digital Multimeter의 적색선을 연결하고 G 단자에 흑색선을 연결한다.
부하 전류((IL) 측정 : 전면 패널 Multimeter의 Current mA/A 단자와 Circuit-3의 3e 단자 간을 적색선으로 연결하고 Low 단자와 A 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
전압계 결선
CR의 A-K간 전압(VAK) 측정 : 전면패널 Signal Input CH A의 A+ 단자와 Circuit-3의 A 단자 간을 적색선으로 연결하고 A- 단자와 K 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
게이트 전압 R4 양단전압 (VG): 측정 : 전면패널 Signal Input CH B이 B+ 단자와 Circuit-3의 3i 단자 간을 적색선으로 연결하고 B- 단자와 3j 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.결선도
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3.측정 방법
- 1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 analog input를 선택하고, Volt & Ampere Meter탭을 선택한 후 CH A, CH B 각각 , , 를 선택한다.
- 2Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 dmm 를 선택하고 를 선택한다.
- 3Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 variable power 를 선택하고 3 CH DC에 DC Voltage V1이 10V가 되도록 로 설정한다.
을 클릭하여 DC 10V 출력을 회로에 공급한다.
- 4측정값을 표 6-5에 기록한다.
Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 analog input 를 선택하여 CH A(SCR의 A-K간 전압(VAK))CH B(게이트 전압 R4 양단전압 (VG)) 측정값을 해당 란에 기록한다.
Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 dmm을 선택하여 부하 전류(IL) 측정값을 해당 란에 기록한다.
별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한 SCR 게이트 전류(IG) 값을 해당 란에 기록한다.
SCR 게이트 전류(IG) = 3.1mA - 53) 과정에서 표 6-5의 입력전압으로 변화시키면서 4) 과정을 수행하여 측정 기록한다.
- 6부하저항 R1 대신에 Lamp를 부하로 구성하여 위 3)~5) 과정을 수행하여 표 6-5 해당란에 기록한다.
회로 결선
Circuit-3의 3f단자와 A 단자 간 연결된 것을 제거하고, 3a 단자와 3b 단자 간으로 황색선으로 연결한다.
전류계 결선
부하 전류(IL) 측정 : 전면 패널 Multimeter의 Current mA/A 단자와 Circuit-3의 3e 단자 간을 적색선으로 연결된 것을 3f 단자로 옮겨 연결하고 Low 단자와 A 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
전압계 결선
Lamp 양단 전압(V0) 측정 : 전면패널 Signal Input CH A의 A+ 단자와 Circuit-3의 3b 단자 간 적색선으로 연결된 것을 3a 단자로 옮겨 연결하고, A- 단자 3e 단자 간 흑색선으로 연결된 것을 3f 단자로 옮겨 연결한다.
결선도
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- 7측정이 끝나면 Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 varianble power을 선택하고 을 클릭하여 공급되는 전원을 차단한다.
실험 결과 보고서
1. 실험 결과표
2. 검토 및 정리
1) 위 표 6-5 부하 저항 R1의 측정값에서 SCR의 A-K간전압 [VAK]과 부하 전류 [IL]를 가지고 Graph 6-3에 특성곡선을 그리시오.
표 6-5와 Graph 6-3 특성곡선에서 순방향 브레이크오버 전압(Forward Breakover Voltage(VBR))과 유지전류( IH : holding current), 스위칭전류(Is : switching current)를 표시하고 그 값을 기재하시오
순방향 브레이크오버 전압(forward breakover voltage(VBR)) =
유지전류(IH holding current) =
스위칭전류(Is switching current) =
- I순방향 브레이크오버 전압이 되면 게이트로 흐르는 전류는 얼마인가?
Graph 6-3