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 21

今天來說 兩個問題：

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

為啥會有這兩個問題？

我們在最開始學習MOS管的時候，應該都是從NMOS開始的，電流的方向都是從D到S的。

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而實際應用電路，NMOS會有電流從S到D的情況，比如下面這個NMOS管防電源反接電路（僅僅是個示意圖，實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候

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

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

這樣整體電源通路就是通的，電源給后級負載供上了電，后級電路正常工作。

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

2、在電源接反的時候（電源和地接反了）

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柵極G接電源負極，也就是0V，S極經過負載接到了電源負極，也就是0V，所以Vgs=0V，MOS管也不導通。

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

對于負載來說，就是電源斷開了。

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

需要說一點，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電路的時候，其實是心里打鼓的

這個MOS管導通時，電流能反著流？D到S，S到D無所謂嗎？

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除了這個電流的方向問題，還有就是MOS管的體二極管問題，這個二極管能過多大的電流？

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如果不了解，會認為這個二極管能流過的電流非常小，因為它還有一個名稱叫“寄生二極管”，很容易被它騙。

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

問題解答

這兩個問題，其實用一個電路就能解答了，就是下面這個BUCK電路。

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應該都知道上面這是個buck電路吧，下管是NMOS管，在上管斷開，下管導通的時候，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，并且這個電流可以是很大的，因為電感的電流是可以比較大的，跟負載有關。

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

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又因為電感的電流取決于負載電流，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？選型的時候需要考慮嗎？

很多MOS管是不標注這個參數的，但是也有一些廠家標注了，比如這個NMOS管SI9804

從上面手冊看到，可以通過的持續電流是2.1A。

這個是怎么來的呢？

這個我覺得可能是根據功耗限制來的。

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

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從上圖可以看到，環境溫度25℃的最大功耗是2.5W。這么看的話，前面說的持續電流是2.1A，應該也是根據功耗限制來的。

根據常規硅二極管，通過2.1A電流時，導通壓降大概是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。

一個更詳細的手冊

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

這個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

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

可能會有些詫異，這個二極管持續電流能到38A這么大？

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

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

不過這也無關緊要，我們僅僅是看這個參數的意義，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，功耗限制是38W，前面知道導通電壓是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功耗限制來的沒跑了。

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

如果用這個值計算，那么體二極管能持續通過的電流也就是3W/1V=3A左右，當然，這個是我的推測，手冊里面沒寫。

到這里，至少我們應該知道了，體二極管還是能過比較大的電流的。

當然，還有一個問題，上面說的是持續的電流，必然還有瞬間電流的問題，瞬間電流能過多大呢？

這個問題反而更為重要一點，因為正常使用中，我們不會給MOS管的體二極管通過持續時間比較長的電流。如果有這個需要，我們直接讓MOS管導通不就好了嗎，功耗還能更低。

前面舉例的BUCK中，體二極管也只是在死區時間才會有電流通過，這個時間是相當短暫的。

所以這個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，因為它都直接標出來了。

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這個管子導通電流可以到59A，在10us時間內能通過的電流是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注MOS管的體二極管的電流，只看MOS管導通電流夠不夠大。

以上內容小結一下：

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

本來寫到這里，文章也已經可以結束了，不過我還是想著能不能從MOS管的原理上看出上面的內容。

以下是我的一些理解，供參考。

NMOS管的結構

我們看一下NMOS管的結構。

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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型半導體，襯底為P型半導體，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，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，也就是導電溝道。

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這時，我們會看到，S和D本身是N型半導體，有很多自由電子，S和D之間也有很多電子，也可以導電。

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型半導體放到一起，總會形成PN結，也就是二極管。S和D之間體二極管實際是漏極D與襯底形成的，因為S和襯底是接到一起的，那么也就是D和S之間有個體二極管了。

MOS管導通，原理就是因為柵極吸引了P型襯底里面的少子（電子），形成了導電溝道，這個溝道想想也應該比較窄，但是它已經能夠支撐起Id的電流了（MOS管導通時電流，每個NMOS都有這個參數）。

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

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不過因為形成的溝道阻值很低，不怎么發熱，而PN結總有個導通壓降，流過電流會發熱，這是個大劣勢，所以體二極管受制于這個發熱的問題。

所以最終的結果就是，我們會看到體二極管流過的持續電流受制于MOS管的功耗。

以上關于原理的說法，看著是自洽的，純屬個人看法，如有問題，歡迎在留言區指正。

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