专利名称：Ac-dc开关电源及其功率三极管的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及开关电源的电路结构，尤其涉及AC-DC开关电源中开关管的电路实现。
背景技术：
随着社会的发展，电器和各类电子产品越来越智能化，更环保和省电，更安全。电子电器产品中需要各类不同电压的电源供给各类控制芯片和电路工作，电子产品电源的源头就是插座上的高压交流电源，而所有的控制电路几乎都需要低压的直流电源或电池供电工作，所以从电网提供的高压交流电到电子产品工作需求的各类不同的低电压电源及给电池充电都需要一个从交流电到低压直流输出的转换电路，既AC-DC电源，目前最常用的 AC-DC电源是高频开关电源。最基本的AC-DC开关电源是把交流电源直接整流，输出直流高压电源给变压器工作，变压器通过高频开关管的开和关的过程控制能量在变压器里的变化，从而控制输出低压直流电源供后续的各部分的控制电路工作。在AC-DC开关电源中，电源管理电路，也就是控制芯片，负责对电源的输入和输出及温度等情况进行采样，误差放大，反馈控制，最后控制开关管的开关过程以实现系统要求的输出指标及控制系统的安全运行。其中电源系统的指标要求有输出电压大小，精度，输出电流大小及精度，输出电压纹波大小，转换效率，待机功耗，输出和输入的在电器连接上的可能需要的隔离要求等，以及能适应输入的电压的范围，EMI指标等。安全方面的控制包括输入及输出电压的过欠压保护，系统的过温保护，输出的短路保护等等。在实际工作中，电源管理电路及其外围的系统协调工作是通过控制开关管的开通和关闭来控制电源能量的变换的。开关管是开关电源工作的执行者，而电源管理电路是控制者，外围的变压器及其他的磁性元件及容性元件等则构成能量转换的主体。所以电源管理电路和开关管在开关电源变换中是不可分割的部分有些开关电源管理电路和开关管是做在一起的，有些是通过将相对独立的器件组合到一起工作。开关管的性能对控制的难易和系统的最后性能有着直接的影响。在中小功率的开关电源中作为开关管的器件主要有MOS管和三极管。在大功率开关电源中用做开关管的器件主要为MOS管，IGBT，IPM模块等。针对在中小功率的开关电源应用范围，MOS管和三极管是各有千秋。三极管的优点是耐压容易做高，这点对AC-DC开关电源工作的安全性非常重要。随着生产的全球化，电器产品的工作电压要求越来越宽，要求适应全球的电网，其中有两个问题需要面对一个是电网本身的规格不同，有ACl 10V, AC240V,甚至有要求到输入的电压范围从AC85V到AC380V 均能正常工作的。另一个是电网质量问题，有些落后地区的电网质量相当差，供应的交流电源电压偏差比例可以达到标准值的2倍以上。因此，越来越多的产品要求有很宽的输入工作电压范围，从而对开关管的耐压指标要求就比较高。与MOS管相比，三极管的耐压更容易做高，加上三极管的成本比较低，在特别要求高压的应用场合，三极管有很大的优势。三极管的缺点主要包括由于是电流驱动工作，工作时需要比较大的工作电流，启动困难，需要大的启动电流和更长的系统启动时间；因需要比较大的驱动电流而带来的比较大的损耗； 驱动复杂，因三极管的放大倍数具有离散性，所以要控制合适的驱动电流比较困难，如果驱动太大，导通时会进入深饱和导通状态，而深饱和驱动需求更大的工作电流，同时会减小三极管的开关频率，会影响开关管的控制精度同时增加三极管的开关损耗，而如果驱动不够， 系统可能会进入线性工作区，开关管导通不完全，会产生很大的功耗，并可能会烧毁开关管；不适用于大电流开关。现有的AC-DC开关电源，为了满足上述各种情况下的要求，往往需要在电源管理电路配备两个设置两个以上的三极管来实现相应的开关控制，这不单增加元器件的数目， 直接增加物料成本和PCB空间，还会由于各器件本身的差异性，使得系统风险增大。可见，实有必要对现有的三极管型的开关管结构进行改进，在充分发挥三极管耐压容易做高的优点的情况下，可以克服三极管驱动电流大、驱动复杂等缺陷，并在一个晶圆上将两个或两个以上的三极管集成，以在控制成本的前提下，满足与电源管理电路搭配起来共同满足AC-DC开关电源的有关要求。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种 AC-DC开关电源及其功率三极管结构，可在控制成本的前提下，确保开关电源的性能。本实用新型针对上述技术问题而提出的技术方案包括，提出一种AC-DC开关电源的功率三极管，包括一作为集电极的衬底，在该衬底上形成的相互隔离的至少两个基区、在每个基区上形成的一个发射极以及与该衬底电连接的集电极引脚、与该些基区电连接的至少两个基极引脚、与该些发射极电连接的至少两个发射极引脚，该衬底、每个基区、每个基区上的发射极及相应的引脚构成一个三极管单元。该些三极管单元的电流能力至少具有两种规格。该些三极管单元的耐压能力均不低于一设定值。该衬底是N型半导体材质的，该些基区是P型半导体材质的，该些发射极是N型半导体材质的。该衬底是P型半导体材质的，该些基区是N型半导体材质的，该些发射极是P型半导体材质的。本实用新型针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提一种AC-DC开关电源，包括各自独立的一电源管理电路和与该电源管理电路电连接的开关管，该开关管具有上述的功率三极管结构。在本实用新型的一个优选实施例中，该些三极管单元中的一个受控于该电源管理电路并做主开关用，该些三极管单元中的另一个受控于该电源管理电路并做启动用。在本实用新型的另一个优选实施例中，该些三极管单元中的一个受控于该电源管理电路并做主开关用，该些三极管单元中的另一个受控于该电源管理电路并做主开关用单元的驱动饱和度控制用。在本实用新型的又一个优选实施例中，该些三极管单元中的一个受控于该电源管理电路并做主开关用，该些三极管单元中的另一个受控于该电源管理电路并做主开关用单元的前级驱动用。在本实用新型的再一个优选实施例中，该些三极管单元中的一个受控于该电源管理电路并做主开关用，该些三极管单元中的另一个受控于该电源管理电路并做启动用，该些三极管单元中的又一个受控于该电源管理电路并做主开关用单元的前级驱动用。与现有技术相比，本实用新型的AC-DC开关电源及其功率三极管，通过在一个封装中同时集成至少两个共集电极的三极管单元，使得三极管型的开关管能够实现灵活驱动和控制，从而可在控制成本的前提下，确保开关电源的性能。
图1是本实用新型的功率三极管实施例的结构示意图。图2是本实用新型的功率三极管实施例的等效电原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型予以进一步地详尽阐述。如图1所示，本实用新型的适用于AC-DC开关电源的功率三极管实施例的结构大致包括一作为集电极的衬底1，在该衬底1上形成的相互隔离的第一、第二两个基区2、4， 在该第一、第二两个基区2、4上各自分别形成的第一、第二两个发射极3、5以及与该衬底1 电连接的集电极引脚C、与该第一基区2电连接的第一基极引脚Bi、与该第一发射极3电连接的第一发射极引脚El、与该第二基区4电连接的第二基极引脚B2和与该第二发射极5电连接的第二发射极引脚E2。衬底1、第一基区2、第一发射极3及相应的引脚C、B1、E1构成一第一单元。衬底1、第二基区4、第二发射极5及相应的引脚C、B2、E2构成一第二单元。 第一单元具有的电流能力大于该第二单元的电流能力，第一单元具有的耐压能力大致等同于该第二单元的耐压能力。衬底1、基极2、4和发射极3、5是在垂直方向由下往上排布的。衬底1是N型半导体材质的，该基极2、4是P型半导体材质的，该发射极3、5是N 型半导体材质的。或者，衬底1是P型半导体材质的，该基极2、4是N型半导体材质的，该发射极3、5是P型半导体材质的。考虑到，NPN三极管是由两个N型半导体和一个P型半导体组合而成，P型半导体在两个N型半导体材料中间，分别和两个N型半导体形成背靠背的两个PN结，把三层材料的电极引出来，这三个电极之间就实现了三极管的性能，这样的结构就形成了 NPN三极管。 由于三极管的参数和三层材料的参数和几何形状制造工艺等有关，在其他参数都相同的情况下，三极管的电流能力和其PN结的剖面面积成正比，因此，可以设计成该第一基区2的剖面面积大于第二基区4的剖面面积，第一发射区3的剖面面积大于第二发射区5的剖面面积。相比于常规的作为开关电源中做开关管用的功率三极管在C极衬底上只制作一个基区，及在基区上只制作一个发射区，最后形成一个集电极，一个发射极，一个基极，而本实用新型的三极管结构，形成的三极管具有公用的一个集电极，成对的相互隔离的二个或多个基极和发射极，形成两个或两个以上的共集电极的三极管单元，根据基极和发射极所占的面积不同，不同的三极管具有不同的电流能力，但都具有大致相同的耐压指标，也就是说，各个三极管单元的耐压能力均超过一设定值，以满足实际应用的需要。[0031]需要说明的是，为了得到需要的三极管参数，其中各层材料的参数包括物理的浓度，相互的覆盖材料的厚度和尺寸都是被控制的。实际产品中的引出电极的pad，钝化保护层，衬底的保护层以及渡层等结构没有体现出来。本实用新型的功率三极管结构，可以是单独封装的，也可以是与电源管理电路一并封装的。本实用新型的功率三极管结构，其引脚是指晶圆的PAD及封装过程中产生的和其相连接的金属引线及封装后形成器件的和其相电联的引脚。如图2所示，为本实用新型的NPN型功率三极管的等效图。可 将其在AC-DC开关电源中用作开关管，与电源管理电路相搭配，以实现灵活驱动和控制，比如通过将小电流的第二单元做启动用，大电流的第一单元做主开关用，可以节省启动电流；通过将小电流的第二单元做大电流的第一单元的驱动饱和度控制用，可以使三极管的驱动电流精确控制； 通过分级进行开关控制，可以减小驱动电流的需求，可以提高系统效率。需要说明的是，虽然上述的实施例结构只是提到了在同一个集电极上构建出两个三极管单元的情形，但本实用新型并不以此为限，可以在同一个集电极上构建出三个、四个以及更多数目的三极管单元。例如，可以是在同一个集电极上构建出三个三极管单元(图未示出)，这三个三极管单元中的一个受控于该电源管理电路并做主开关用，另一个受控于该电源管理电路并做启动用，又一个受控于该电源管理电路并做主开关用单元的前级驱动用。上述内容，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用于限制本实用新型的实施方案， 本领域普通技术人员根据本实用新型的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本实用新型的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。
权利要求1.一种AC-DC开关电源的功率三极管，其特征在于，包括一作为集电极的衬底，在该衬底上形成的相互隔离的至少两个基区、在每个基区上形成的一个发射极以及与该衬底电连接的集电极引脚、与该些基区电连接的至少两个基极引脚、与该些发射极电连接的至少两个发射极引脚，该衬底、每个基区、每个基区上的发射极及相应的引脚构成一个三极管单兀。
2.依据权利要求1所述的功率三极管，其特征在于，该些三极管单元的电流能力至少具有两种规格。
3.依据权利要求1所述的功率三极管，其特征在于，该些三极管单元的耐压能力均不低于一设定值。
4.依据权利要求1所述的功率三极管，其特征在于，该衬底是N型半导体材质的，该些基区是P型半导体材质的，该些发射极是N型半导体材质的。
5.依据权利要求1所述的功率三极管，其特征在于，该衬底是P型半导体材质的，该些基区是N型半导体材质的，该些发射极是P型半导体材质的。
6.一种AC-DC开关电源，包括一电源管理电路和与该电源管理电路电连接的开关管， 其特征在于，该开关管是具有由权利要求1至5任一项所述的功率三极管结构的。
7.依据权利要求6所述的AC-DC开关电源，其特征在于，该些三极管单元中的一个受控于该电源管理电路并做主开关用，该些三极管单元中的另一个受控于该电源管理电路并做启动用。
8.依据权利要求6所述的AC-DC开关电源，其特征在于，该些三极管单元中的一个受控于该电源管理电路并做主开关用，该些三极管单元中的另一个受控于该电源管理电路并做主开关用单元的驱动饱和度控制用。
9.依据权利要求6所述的AC-DC开关电源，其特征在于，该些三极管单元中的一个受控于该电源管理电路并做主开关用，该些三极管单元中的另一个受控于该电源管理电路并做主开关用单元的前级驱动用。
10.依据权利要求6所述的AC-DC开关电源，其特征在于，该些三极管单元中的一个受控于该电源管理电路并做主开关用，该些三极管单元中的另一个受控于该电源管理电路并做启动用，该些三极管单元中的又一个受控于该电源管理电路并做主开关用单元的前级驱动用。
专利摘要一种AC-DC开关电源及其功率三极管，该功率三极管包括一作为集电极的衬底，在该衬底上形成的相互隔离的至少两个基区、在每个基区上形成的一个发射极以及与该衬底电连接的集电极引脚、与该些基区电连接的至少两个基极引脚、与该些发射极电连接的至少两个发射极引脚，该衬底、每个基区、每个基区上的发射极及相应的引脚构成一个三极管单元。该AC-DC开关电源，包括一电源管理电路和与该电源管理电路电连接的开关管，该开关管具有前述的功率三极管结构。本实用新型可在控制成本的前提下，确保开关电源的性能。
文档编号H01L29/732GK202094124SQ201120203968
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月16日 优先权日2011年6月16日
发明者林新春, 罗小荣, 郑凌波 申请人:深圳市力生美半导体器件有限公司