中電壓屏蔽柵極PowerTrench MOSFET在高比率升壓DC-DC轉(zhuǎn)換中用于側(cè)光式LED電視背光照明

發(fā)布時間：2011-11-9 11:45 發(fā)布者：1640190015

關(guān)鍵詞： LED , MOSFET , PowerTrench , 高比率升壓DC-DC , 中電壓屏蔽柵極

側(cè)光式LED背光單元(BLU)功率要求
由于功耗較低、使用壽命較長，發(fā)光二極管(LED)正在穩(wěn)步地替代古老的冷陰極熒光燈(CCFL)，用作液晶顯示(LCD)電視的背光源。為了給大尺寸LCD TV提供充足的亮度，背光照明需要大量串聯(lián)或并聯(lián)的LED陣列。鑒于LED的顆數(shù)和LED的串數(shù)可以減少，如今側(cè)光式(edge-lit)背光照明變得更加流行。在側(cè)光式背光照明中，需要高效且高升壓比的DC-DC轉(zhuǎn)換器來控制串聯(lián)的LED串。對于大尺寸電視的側(cè)光式背光單元，背光單元的邊緣約有36個串聯(lián)放置的LED（圖1）。

圖1 側(cè)光式LED背光單元構(gòu)成示例

耦合電感升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器
耦合電感升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器是提供高比率電壓增益的可行性解決方案，與單級的升壓DC-DC轉(zhuǎn)化器相比，不會帶來極端的占空比，還可降低MOSFET導(dǎo)通損耗。這是因為通過調(diào)節(jié)耦合電感的匝比，可以使用BVDSS較低的MOSFET。如圖2所示，它在一個轉(zhuǎn)換周期中有兩種運作模式：在T0~T1期間，MOSFET開啟，輸出整流器Dout是反向偏置的，磁化電感Lm由輸入電壓源以線性方式充電儲能；當MOSFET關(guān)閉時，在T1~T2期間，所有的磁化電流從初級繞組Np被反射進入次級繞組Ns。此時，輸出整流器Dout是導(dǎo)通的，存儲在電感中的所有能量被傳送到輸出負載。

圖2 轉(zhuǎn)換器波形

由公式1得出電壓轉(zhuǎn)換比：

公式1
D是工作周期，n是耦合電感的匝數(shù)比：

公式2
電荷平衡技術(shù)
圖3所示為額定電壓為30V和100V的傳統(tǒng)溝槽MOSFET的RDS(ON)分量的比較。對于100V的器件，RDS(ON)中外延分量百分比要大得多，而利用屏蔽柵極這樣的電荷平衡技術(shù)，外延電阻可以減小一半以上，同時不會增加總體Qg或Qgd分量。

圖3 傳統(tǒng)溝槽技術(shù)中RDS(ON)的各個分量

圖4比較了傳統(tǒng)器件和屏蔽柵極溝槽器件的橫截面。后者通過整合一個屏蔽電極來實現(xiàn)電荷平衡，支持該電壓區(qū)域的阻抗和長度都被減小，從而大幅降低了RDS(ON)。

圖4 (a) 傳統(tǒng)器件 (b)屏蔽柵極電荷平衡溝槽結(jié)構(gòu)

而且，屏蔽電極被置于柵極電極之下，這樣的結(jié)構(gòu)把傳統(tǒng)溝槽MOSFET底部的大部分柵漏極電容(Cgd或Crss)轉(zhuǎn)化為柵源極電容(Cgs)。因此，屏蔽電極就將柵極電極從漏極電勢中隔離開來。
圖5比較了具有同等大小RDS(ON)的傳統(tǒng)MOSFET和屏蔽柵極溝槽MOSFET的電容分量，由于Crss減小，從關(guān)斷切換到導(dǎo)通狀態(tài)或從導(dǎo)通切換到關(guān)斷狀態(tài)所需的時間縮短，因而開關(guān)損耗被降至最低。特別指出，如圖6所示，減小Qgd可將器件同時加載高壓和大電流的時間縮至最短，從而減少開關(guān)能耗。

圖5 在20A RDS(ON) 5.7mΩ的相同條件下，傳統(tǒng)器件與屏蔽柵極溝槽器件的電容分量的比較

圖6 在20A RDS(ON) 5.7mΩ的相同條件下，傳統(tǒng)溝槽器件和屏蔽柵極溝槽器件在20A/50V時的Qg曲線的比較

另外，屏蔽層及其阻抗相當于一個內(nèi)建緩沖電阻(Rshield)和電容(Cdshield)網(wǎng)絡(luò)。
耦合電感升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能提升
在用于46英寸以上側(cè)光式LED背光單元的從24V升壓至120V的耦合電感升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中，可以比較飛兆半導(dǎo)體100V額定電壓FDD86102屏蔽柵極和傳統(tǒng)溝槽MOSFET器件的性能。圖7顯示，采用飛兆半導(dǎo)體的屏蔽PowerTrench工藝，屏蔽器件具有出色的RDS(ON)和Qg性能。

圖7 FDD86102與傳統(tǒng)溝槽器件的比較

在圖8和圖9中，F(xiàn)DD86102屏蔽Power Trench MOSFET的效率至少提高了3.5%，通過將傳導(dǎo)和開關(guān)損耗減至最低，器件具有更好的熱性能。

圖8 效率比較

圖9 24VIN、120VOUT、300kHz、500mA IOUT條件下的熱性能比較

總結(jié)
相比傳統(tǒng)溝槽MOSFET技術(shù)，飛兆半導(dǎo)體的中等電壓屏蔽柵極PowerTrench MOSFET技術(shù)把傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗減至最低，能夠達到更高的效率。

Source:GEC

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