MOS管電流方向能反嗎？體二極管能過多大電流？

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2022-03-18 02:28:01 3

今天來說 兩個(gè)問題：

1、MOS管導(dǎo)通電流能否反著流？D到S，S到D方向隨意？ 2、MOS管體二極管能過多大的電流？

為啥會有這兩個(gè)問題？

我們在最開始學(xué)習(xí)MOS管的時(shí)候，應(yīng)該都是從NMOS開始的，電流的方向都是從D到S的。

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而實(shí)際應(yīng)用電路，NMOS會有電流從S到D的情況，比如下面這個(gè)NMOS管防電源反接電路（僅僅是個(gè)示意圖，實(shí)際電路需要多考慮一些因素）。

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原理我還是先大致說下。

1、在電源正常接入的時(shí)候

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電源正極VCC經(jīng)過后級負(fù)載電路接到體二極管，那么體二極管就會導(dǎo)通，于是此時(shí)S極的電壓就約為0.7V左右（體二極管導(dǎo)通電壓）。

同時(shí)柵極G極接的是VCC，所以Vgs=Vcc-0.7V>Vgsth，NMOS管會導(dǎo)通。NMOS管導(dǎo)通之后，導(dǎo)通壓降基本為0，那么Vgs=Vcc，MOS管維持導(dǎo)通狀態(tài)。

這樣整體電源通路就是通的，電源給后級負(fù)載供上了電，后級電路正常工作。

這里有一點(diǎn)需要特別注意，就是此時(shí)MOS管的電流是S到D的，與往常我們經(jīng)常見的D到S是反的。

2、在電源接反的時(shí)候（電源和地接反了）

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柵極G接電源負(fù)極，也就是0V，S極經(jīng)過負(fù)載接到了電源負(fù)極，也就是0V，所以Vgs=0V，MOS管也不導(dǎo)通。

與此同時(shí)， D極為Vcc，S極為0V，體二極管反向偏置，也不導(dǎo)通，所以無法通過NMOS管流過電流。

對于負(fù)載來說，就是電源斷開了。

接反的電源不會懟到后面的負(fù)載上面，所以后級電路就不會燒了，我們只要把前面的電源正負(fù)極接對，那么后級電路又能正常工作了，如此，便實(shí)現(xiàn)了防反接的功能。

需要說一點(diǎn)，這里的防反接并不是說電源接反了，后級電路也還能工作。而是電源接反了，后級電路不會冒煙燒壞了。

我以前乍一看到這個(gè)電路的時(shí)候，其實(shí)是心里打鼓的

這個(gè)MOS管導(dǎo)通時(shí)，電流能反著流？D到S，S到D無所謂嗎？

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除了這個(gè)電流的方向問題，還有就是MOS管的體二極管問題，這個(gè)二極管能過多大的電流？

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如果不了解，會認(rèn)為這個(gè)二極管能流過的電流非常小，因?yàn)樗€有一個(gè)名稱叫“寄生二極管”，很容易被它騙。

寄生二字，會很容易讓人聯(lián)想到寄生電感，寄生電容，而這兩個(gè)東西一般都是很小的，所以很容易誤認(rèn)為這個(gè)寄生二極管也很弱，過不了比較大的電流。

問題解答

這兩個(gè)問題，其實(shí)用一個(gè)電路就能解答了，就是下面這個(gè)BUCK電路。

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應(yīng)該都知道上面這是個(gè)buck電路吧，下管是NMOS管，在上管斷開，下管導(dǎo)通的時(shí)候，電感的電流來源于下管。

也就是說，下管NMOS的電流方向是從S到D的，也就是反著流，并且這個(gè)電流可以是很大的，因?yàn)殡姼械碾娏魇强梢员容^大的，跟負(fù)載有關(guān)。

除此之外，從之前的文章《BUCK的振鈴實(shí)驗(yàn)與分析》里面我們也知道，BUCK在開關(guān)切換的時(shí)候，會存在死區(qū)時(shí)間（上管和下管都不導(dǎo)通的時(shí)候）。而電感的電流是不能斷的，死區(qū)時(shí)間電感的電流就是走的下管的體二極管。

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又因?yàn)殡姼械碾娏魅Q于負(fù)載電流，是可以到幾安培的，所以說下管的體二極管的電流也是可以很大的。

那MOS管的體二極管電流最大能到多少呢？選型的時(shí)候需要考慮嗎？

很多MOS管是不標(biāo)注這個(gè)參數(shù)的，但是也有一些廠家標(biāo)注了，比如這個(gè)NMOS管SI9804

從上面手冊看到，可以通過的持續(xù)電流是2.1A。

這個(gè)是怎么來的呢？

這個(gè)我覺得可能是根據(jù)功耗限制來的。

如果通過的電流時(shí)間很短，那么可以通過更大一點(diǎn)的電流，如果時(shí)間比較長，那么流過的電流就不能太大。

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從上圖可以看到，環(huán)境溫度25℃的最大功耗是2.5W。這么看的話，前面說的持續(xù)電流是2.1A，應(yīng)該也是根據(jù)功耗限制來的。

根據(jù)常規(guī)硅二極管，通過2.1A電流時(shí)，導(dǎo)通壓降大概是1V左右，那么功耗就是P=2.1A*1V=2.1W，跟2.5W也差不太多。

當(dāng)然，以上只是我的猜測而已，并沒有找到什么比較官方的說法。

一個(gè)更詳細(xì)的手冊

寫到這里，我又找到一個(gè)更為詳細(xì)的MOS管手冊，英飛凌的NMOS管BSC059N04LS6，里面有詳細(xì)介紹體二極管的過流能力，包括持續(xù)和瞬間的電流。

這個(gè)手冊讓我確信了上面的猜測。

下面是BSC059N04LS6手冊里面的體二極管的參數(shù)

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從上表直接可以看到，體二極管的持續(xù)電流是可以到38A，脈沖電流是可以到236A的，同時(shí)，也可以看到，二極管最大導(dǎo)通電壓是1V。

可能會有些詫異，這個(gè)二極管持續(xù)電流能到38A這么大？

實(shí)際應(yīng)用自然是到不了，我們需要注意上面是有個(gè)條件，那就是Tc=25℃的，c是case，也就是外殼保持25℃情況下的。

我們實(shí)際應(yīng)用中，如果不加特別的散熱措施，肯定是沒法保證這個(gè)MOS外殼是這個(gè)溫度，自然也就不能持續(xù)通過38A的電流。

不過這也無關(guān)緊要，我們僅僅是看這個(gè)參數(shù)的意義，想知道它是怎么來的。

我們再看看手冊里面的功耗限制

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可以看到，在Tc=25℃時(shí)，功耗限制是38W，前面知道導(dǎo)通電壓是1V，電流限制是38A，正好功耗限制等于電壓乘以電流，這也太巧了。

所以，體二極管能通過的電流就是根據(jù)功耗限制來的沒跑了。

同時(shí)，我們看到，在Ta=25℃，功耗限制是3W，這個(gè)Ta就是環(huán)境溫度了，這個(gè)與實(shí)際使用情況應(yīng)該是更為接近的（不使用特別散熱措施）。

如果用這個(gè)值計(jì)算，那么體二極管能持續(xù)通過的電流也就是3W/1V=3A左右，當(dāng)然，這個(gè)是我的推測，手冊里面沒寫。

到這里，至少我們應(yīng)該知道了，體二極管還是能過比較大的電流的。

當(dāng)然，還有一個(gè)問題，上面說的是持續(xù)的電流，必然還有瞬間電流的問題，瞬間電流能過多大呢？

這個(gè)問題反而更為重要一點(diǎn)，因?yàn)檎Ｊ褂弥校覀儾粫oMOS管的體二極管通過持續(xù)時(shí)間比較長的電流。如果有這個(gè)需要，我們直接讓MOS管導(dǎo)通不就好了嗎，功耗還能更低。

前面舉例的BUCK中，體二極管也只是在死區(qū)時(shí)間才會有電流通過，這個(gè)時(shí)間是相當(dāng)短暫的。

所以這個(gè)瞬間能過多大的電流反而更值得看一看。

我們還是看BSC059N04LS6的手冊，因?yàn)樗贾苯訕?biāo)出來了。

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這個(gè)管子導(dǎo)通電流可以到59A，在10us時(shí)間內(nèi)能通過的電流是236A，而體二極管也是236A，二者是相同的，而且都很大，也就是說體二極管的瞬間電流根本就不會成為使用的瓶頸。

也許這就是為什么我們很少去關(guān)注MOS管的體二極管的電流，只看MOS管導(dǎo)通電流夠不夠大。

以上內(nèi)容小結(jié)一下：

1、MOS導(dǎo)通后電流方向其實(shí)可以雙向流動，可以從d到s，也可以從s到d。 2、MOS管體二極管 的持續(xù)電流可以根據(jù)MOS管的功耗限制來計(jì)算， 3、MOS管體二極管瞬間可以通過的電流，等于NMOS管導(dǎo)通后瞬間可以通過的電流，一般不會是瓶頸

本來寫到這里，文章也已經(jīng)可以結(jié)束了，不過我還是想著能不能從MOS管的原理上看出上面的內(nèi)容。

以下是我的一些理解，供參考。

NMOS管的結(jié)構(gòu)

我們看一下NMOS管的結(jié)構(gòu)。

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以NMOS為例，如上圖，S和D都是摻雜濃度比較高的N型半導(dǎo)體，襯底為P型半導(dǎo)體，并且襯底和S極是接到一起的。

在Vgs電壓大于門限電壓Vth時(shí)，也就是柵極相對襯底帶正電，它會將P型襯底中的少子（電子）吸引到P型襯底上面，形成反型層，也就是導(dǎo)電溝道。

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這時(shí)，我們會看到，S和D本身是N型半導(dǎo)體，有很多自由電子，S和D之間也有很多電子，也可以導(dǎo)電。

也就是說，S和D之間，是連通的，到處都有自由電子，可以移動。

因此，我們給S和D之間加上電壓，就會形成電流，而且是不管電壓的方向如何，只要有電壓，就能形成電流，二者沒有什么差別。

也就說，電流可以雙向流動，可以從D到S，也可以從S到D。

我們接著看體二極管的過流能力

P和N型半導(dǎo)體放到一起，總會形成PN結(jié)，也就是二極管。S和D之間體二極管實(shí)際是漏極D與襯底形成的，因?yàn)镾和襯底是接到一起的，那么也就是D和S之間有個(gè)體二極管了。

MOS管導(dǎo)通，原理就是因?yàn)闁艠O吸引了P型襯底里面的少子（電子），形成了導(dǎo)電溝道，這個(gè)溝道想想也應(yīng)該比較窄，但是它已經(jīng)能夠支撐起Id的電流了（MOS管導(dǎo)通時(shí)電流，每個(gè)NMOS都有這個(gè)參數(shù)）。

那么作為體積大，面積也大的襯底，它與漏極形成的PN結(jié)，自然流過的電流達(dá)到Id沒啥問題（不考慮溫度的話）。

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不過因?yàn)樾纬傻臏系雷柚岛艿停辉趺窗l(fā)熱，而PN結(jié)總有個(gè)導(dǎo)通壓降，流過電流會發(fā)熱，這是個(gè)大劣勢，所以體二極管受制于這個(gè)發(fā)熱的問題。

所以最終的結(jié)果就是，我們會看到體二極管流過的持續(xù)電流受制于MOS管的功耗。

以上關(guān)于原理的說法，看著是自洽的，純屬個(gè)人看法，如有問題，歡迎在留言區(qū)指正。

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