Особенности конструкции симистора

На практике триаки конструируются с центральным расположением управляющего электрода. На рисунке 8.39 представлен типичный триак средней мощности. Как и в обычном тиристоре, катодные эмиттеры обоих тиристорных секций снабжены эмиттерными шунтами, обеспечивающими стойкость к du/dt и эффекту переключения по аноду.

Тем не менее, целесообразно более подробно рассмотреть проблему эффекта du/dt из-за влияния заряда, накопленного в приборе к моменту коммутации. Триак используется в мощных схемах переменного тока, где состояние проводимости в течение одного полупериода сразу сменяется состоянием проводимости в другом направлении или требуется восстановление закрытого состояния. При работе в схеме с индуктивной нагрузкой напряжение, прикладываемое к триаку, характеризуется очень высокими значениями du/dt, которое в предшествующий состоянию проводимости полупериод может привести к разрушению триака.

Рисунок 8.40 - Триак во время коммутации:

1 – накопленный заряд; 2 – обратный ток

В обычном тиристоре заметная часть заряда остается в базовой области в конце этапа проводимости. Когда вновь прикладывается напряжение источника, этот заряд быстро экстрагируется. Поэтому разрушение прибора не исключается и на этапе выключения, если повторное напряжение прикладывается слишком рано и du/dt слишком высоко. Для триаков проблема усложняется тем, что оба тиристора физически связаны друг с другом.

Механизм выхода прибора из строя показан на рисунке 8.40. Допустим, что тиристор А находится в проводящем состоянии и, когда ток нагрузки меняет направление, необходимо, чтобы триак блокировал напряжение, иначе говоря, вывод 1становился положительным относительно вывода 2. В момент изменения направления тока в тиристоре остается накопленный заряд, и по мере того как вывод 1 становится положительным, этот заряд «вытягивается» из базовых областей, создавая условия для протекания обратного тока между выводом 1 и анодом тиристора А.

Если ток имеет достаточно большую амплитуду, то он может увеличить потенциал слоя P1 возле слоя N4, заставляя эмиттер N4 инжектировать электроны, и тем самым переводит тиристор B во включенное состояние, приводя к разрушению триака в режиме коммутации. Амплитуда обратного тока будет определяться скоростью, с которой напря-жение вторично прикладывается к триаку, и зависит как от времени рассасывания заряда, так и от емкостного тока перехода.

Решение этой проблемы заключается в использовании повышенной плотности шунтов эмиттера, как в обычном тиристоре, и в создании изолирующей области между двумя тиристорными областями аналогично тиристорной и диодной областям в тиристоре-диоде.

Для уменьшения влияния накопленного заряда в тиристоре А на процессы в тиристоре В и наоборот необходимо встроить между ними изолирующую область. Эта область может быть выполнена в виде вытравленной по глубине p-базы канавки, препятствующей инжекции электронов из катодов тиристорных структур в p-базы другой структуры. Эту же роль выполняет локальная область с уменьшенным временем жизни неравновесных носителей заряда, созданная радиационной обработкой или локальной диффузией золота.

Тем не менее в целом проблемы коммутирующего эффекта du/dt накладывают определенные ограничения на напряжения (менее 1200 В) и токи (менее 300 А) триака. Другой их недостаток связан с тем, что триаки почти не применяются в мощных схемах с высокими значениями di/dt (третий квадрант) из-за того, что обычный регенеративный управляющий электрод и разветвленный управляющий электрод непосредственно не могут быть использованы. Поэтому в устройствах с повышенной надежностью вместо симисторов используется пара встречно включенных тиристоров несмотря на худшие показатели по весо-габаритным характеристикам.