中电压屏蔽栅极PowerTrench MOSFET在高比率升压DC-DC转换中用于侧光式LED电视背光照明

侧光式LED背光单元(BLU)功率要求
由于功耗较低、使用寿命较长，发光二极管(LED)正在稳步地替代古老的冷阴极荧光灯(CCFL)，用作液晶显示(LCD)电视的背光源。为了给大尺寸LCD TV提供充足的亮度，背光照明需要大量串联或并联的LED阵列。鉴于LED的颗数和LED的串数可以减少，如今侧光式(edge-lit)背光照明变得更加流行。在侧光式背光照明中，需要高效且高升压比的DC-DC转换器来控制串联的LED串。对于大尺寸电视的侧光式背光单元，背光单元的边缘约有36个串联放置的LED（图1）。

图1 侧光式LED背光单元构成示例

耦合电感升压DC-DC转换器
耦合电感升压DC-DC转换器是提供高比率电压增益的可行性解决方案，与单级的升压DC-DC转化器相比，不会带来极端的占空比，还可降低MOSFET导通损耗。这是因为通过调节耦合电感的匝比，可以使用BVDSS较低的MOSFET。如图2所示，它在一个转换周期中有两种运作模式：在T0~T1期间，MOSFET开启，输出整流器Dout是反向偏置的，磁化电感Lm由输入电压源以线性方式充电储能；当MOSFET关闭时，在T1~T2期间，所有的磁化电流从初级绕组Np被反射进入次级绕组Ns。此时，输出整流器Dout是导通的，存储在电感中的所有能量被传送到输出负载。



图2 转换器波形

由公式1得出电压转换比：

  公式1
D是工作周期，n是耦合电感的匝数比：

              公式2
电荷平衡技术
图3所示为额定电压为30V和100V的传统沟槽MOSFET的RDS(ON)分量的比较。对于100V的器件，RDS(ON)中外延分量百分比要大得多，而利用屏蔽栅极这样的电荷平衡技术，外延电阻可以减小一半以上，同时不会增加总体Qg或Qgd分量。


图3 传统沟槽技术中RDS(ON)的各个分量

图4比较了传统器件和屏蔽栅极沟槽器件的横截面。后者通过整合一个屏蔽电极来实现电荷平衡，支持该电压区域的阻抗和长度都被减小，从而大幅降低了RDS(ON)。

图4 (a) 传统器件 (b)屏蔽栅极电荷平衡沟槽结构

而且，屏蔽电极被置于栅极电极之下，这样的结构把传统沟槽MOSFET底部的大部分栅漏极电容(Cgd或Crss)转化为栅源极电容(Cgs)。因此，屏蔽电极就将栅极电极从漏极电势中隔离开来。
图5比较了具有同等大小RDS(ON)的传统MOSFET和屏蔽栅极沟槽MOSFET的电容分量，由于Crss减小，从关断切换到导通状态或从导通切换到关断状态所需的时间缩短，因而开关损耗被降至最低。特别指出，如图6所示，减小Qgd可将器件同时加载高压和大电流的时间缩至最短，从而减少开关能耗。



图5 在20A RDS(ON) 5.7mΩ的相同条件下，传统器件与屏蔽栅极沟槽器件的电容分量的比较

图6 在20A RDS(ON) 5.7mΩ的相同条件下，传统沟槽器件和屏蔽栅极沟槽器件在20A/50V时的Qg曲线的比较

另外，屏蔽层及其阻抗相当于一个内建缓冲电阻(Rshield)和电容(Cdshield)网络。
耦合电感升压DC-DC转换器的性能提升
在用于46英寸以上侧光式LED背光单元的从24V升压至120V的耦合电感升压DC-DC转换器中，可以比较飞兆半导体100V额定电压FDD86102屏蔽栅极和传统沟槽MOSFET器件的性能。图7显示，采用飞兆半导体的屏蔽PowerTrench工艺，屏蔽器件具有出色的RDS(ON)和Qg性能。

图7 FDD86102与传统沟槽器件的比较

在图8和图9中，FDD86102屏蔽Power Trench MOSFET的效率至少提高了3.5%，通过将传导和开关损耗减至最低，器件具有更好的热性能。

图8 效率比较




图9 24VIN、120VOUT、300kHz、500mA IOUT条件下的热性能比较

总结
相比传统沟槽MOSFET技术，飞兆半导体的中等电压屏蔽栅极PowerTrench MOSFET技术把传导损耗和开关损耗减至最低，能够达到更高的效率。

Source:GEC