Leuchtdioden (LEDs) ersetzen immer häufiger die ursprünglich verwendeten Leuchtstoffröhren (CCFL) als Hintergrundbeleuchtungsquelle für LCD-Bildschirme in Fernsehapparaten, da sie sich durch einen geringeren Stromverbrauch und eine längere Lebensdauer auszeichnen. Um eine ausreichende Helligkeit für sehr große LCD-TV-Geräte zu erreichen, werden für eine Hintergrundbeleuchtung viele in Reihe oder parallel geschaltete LEDs benötigt. Da bei einer Kantenbeleuchtung weniger LEDs und Strings erforderlich sind, hat sich dieser Typ mittlerweile durchgesetzt. Die Stromversorgung der hintereinander geschalteten LED-Strings erfolgt über einen DC/DC-Wandler mit hohem Wirkungsgrad und Umsetzungsverhältnis. Bei einem großen TV-Gerät werden insgesamt etwa 36 LEDs an den Flanken der Hintergrundbeleuchtung (BLU) untergebracht.
DC/DC-Aufwärtswandler mit gekoppelten Induktivitäten
Ein DC/DC-Aufwärtswandler mit gekoppelten Induktivitäten ist eine praktische Lösung, um ein hohes Spannungsumsetzungsverhältnis zu erhalten, ohne dass ein extremes Tastverhältnis notwendig ist. Zudem lässt sich damit der Leitungsverlust des MOSFET reduzieren, da abhängig vom Wickelverhältnis der gekoppelten Induktivitäten ein MOSFET mit niedrigerem BVDSS-Wert (Saturated Drain-Source Breakdown Voltage) eingesetzt werden kann. Pro Schaltperiode gibt es zwei Betriebsmodi. Während T- T1ist der MOSFET durchgeschaltet und der Ausgangsgleichrichter Doutsperrt. Die Induktivität Lmwird linear über die Eingangsspannung geladen. Wenn der MOSFET abschaltet, wird der gesamte Magnetisierungsstrom während T1- T2von der Primärwicklung Npauf die Sekundärwicklung Nsinduziert. Der Ausgangsgleichrichter Doutleitet und die ganze in der Induktivität gespeicherte Energie wird zur Ausgangslast geleitet. Das Spannungskonvertierungsverhältnis lässt sich über folgende Formel berechnen:wobei D für das Tastverhältnis und n für das Windungsverhältnis der gekoppelten Induktivität steht:
Vorteile durch das Ladungsgleichgewichtsverfahren
Betrachtet man die Verteilung der RDS(ON)-Komponenten bei 30 und 100 V bei einem konventionellen Trench MOSFET, sieht man, dass der RDS(ON)Epitaxial-Anteil bei 100 V viel größer ist. Durch ein Ladungsgleichgewichtsverfahren, wie Shielded Gate, kann dieser Epitaxial-Widerstand um mehr als die Hälfte reduziert werden, ohne dass die Qg- oder Qgd-Komponenten erhöht werden. Durch den Einsatz einer Abschirmungselektrode im Shielded-Gate-Trench-Bauteil lässt sich ein Ladungsausgleich erreichen, so dass der Widerstand und die Länge der Spannungs-unterstützenden Region minimiert werden, was eine deutliche Reduzierung des RDS(ON)zur Folge hat. Darüber hinaus ist die Abschirmungselektrode unterhalb der Gate-Elektrode platziert, so dass ein Großteil der Kapazität zwischen Gate und Drain (Cgdoder Crss) des konventionellen Trench MOSFET auf die Kapazität zwischen Gate und Source (Cgs) verlagert wird. Dadurch kann die Abschirmungselektrode die Gate-Elektrode gegen das Drain-Potential abschirmen. Der Vergleich der Kapazitätskomponenten eines konventionellen und eines Shielded Gate Trench MOSFET bei gleichem RDS(ON)zeigt, dass durch die Reduzierung von Crssdie Schaltverluste minimiert werden, indem die Schaltzeiten verkürzt werden. Insbesondere die Reduzierung von Qgdverringert die Schaltverluste. Dies ist möglich, da die Zeit während der am Bauteil gleichzeitig eine hohe Spannung und ein hoher Strom anliegen, minimiert wird. Darüber hinaus wirken die Abschirmung und deren Widerstand wie ein eingebauter Dämpfungswiderstands-(Rshield) und Kapazitätsnetzwerk (Cdshield).
Leistungsverbesserungen bei Shield Power Trench MOSFETs
Welche Unterschiede sich zwischen einem mit 100 V spezifizierten Shielded Power Trench MOSFET FDD86102 von Fairchild und einem konventionellem Trench MOSFET ergeben, zeigt das nachfolgende Beispiel. Untersucht wurde dies an einem DC/DC-Aufwärtswandler mit gekoppelten Induktivitäten zur Erhöhung der Spannung von 24 auf 120 V für eine Hintergrundbeleuchtung (BLU) bei TV-Geräten mit mehr als 40 Zoll. Der Einsatz des Shielded-Power-Trench-Prozesses von Fairchild gewährleistet überlegene Werte bei RDS(ON)und Qg. Gegenüber einem konventionellen Trench MOSFET kann die Mid-Voltage-Shielded-Power-Trench-MOSFET-Technologie von Fair-child durch die Minimierung der Leitungs- und der Schaltverluste einen höheren Wirkungsgrad erreichen.
