解析MOS管电流方向反及其体二极管能过多大电流问题

MOS管道的电流方向反转吗？体二极管能有多少电流？

今天有两个问题：

1、MOS管导通电流能否逆流？D到S，S到D方向随意？
2、MOS二极管能有多少电流？

为什么会有这两个问题？

我们开始学习MOS管理时，应从NMOS一开始，电流的方向是从D到DS的。

实际应用电路，NMOS从S到S会有电流D例如，以下情况如下NMOS管防电源反接电路（仅仅是个示意图，实际电路需要多考虑一些因素）。

我先大致说一下原理。

1.正常接入电源时，

电源正极VCC当后载电路连接到体二极管时，体二极管将导通，因此S极的电压约为0.7V左右(体二极管导电压)。

与此同时，栅极G极接VCC，所以Vgs=Vcc-0.7V>Vgsth，NMOS管会导通。NMOS管导通后，导通压降基本为0Vgs=Vcc，MOS管道保持导通状态。

这样整体电源通路就是通的，电源给后级负载供上了电，后级电路正常工作。

这里有一点需要特别注意，那就是这个时候MOS管道的电流是S到D和往常一样，我们经常看到D到S是反的。

2.电源反转时(电源和地面反转)

栅极G接电源负极，即0V，S极通过负载接收电源负极，即0V，所以Vgs=0V，MOS也不导管。

与此同时， D极为Vcc，S极为0V，体二极管反向偏置，不导通，不能通过NMOS管流过电流。

对于负载，电源断开。

反向电源不会与后负载相连，因此后电路不会燃烧。只要我们连接前电源的正负极，后电路就可以正常工作，从而实现反向连接的功能。

需要说的是，这里的反向连接并不意味着电源反向连接，后电路仍然可以工作。但电源反向连接，后电路不会冒烟烧坏。

当我第一次看到这条电路时，我实际上是在心里鼓的

这个MOS电流能反向流动吗？D到S，S到D没关系吗？

除了电流的方向，还有MOS这个二极管能有多少电流？

如果你不明白，你会认为二极管可以流过的电流很小，因为它还有一个名字叫寄生二极管，很容易被它欺骗。

寄生二字很容易让人想起寄生电感和寄生电容，一般都很小，很容易误以为寄生二极管也很弱，过不了大电流。

问题解答

事实上，这两个问题可以通过一个电路来回答，即以下问题BUCK电路。

大家应该都知道这是上面的一个buck电路吧，下管是NMOS当上管断开，下管导通时，电感电流来自下管。

换句话说，下管NMOS从S到D是的，也就是反向流这个电流可以很大，因为电感的电流可以比较大，和负载有关。

此外，从以前的文章开始《BUCK在振铃实验与分析中，我们也知道，BUCK切换开关时，会有死区时间(上下管不导通时)。电感电流不能断，死区时间电感电流是下管的二极管。

而且由于电感的电流取决于负载电流，可以几安培，所以下管二极管的电流也可以很大。

那MOS管体二极管的最大电流是多少？选型需要考虑吗？

很多MOS这个参数没有标记在管道上，但也有一些制造商标记，比如这个NMOS管SI9804

从上面的手册可以看出，可以通过的连续电流是2.1A。

这是怎么来的？

我认为这可能是基于功耗限制。

若通过的电流时间很短，则可通过较大的电流，若时间较长，则流过的电流不宜过大。

从上图可以看出，环境温度为25℃最大功耗是2.5W。如果你这么看，上面提到的连续电流是2.1A，也应根据功耗限制。

根据常规硅二极管，通过2.1A电流时，导通压降约为1V左右，那么功耗就是P=2.1A*1V=2.1W，跟2.5W也差不多。

当然，以上只是我的猜测，没有找到更官方的说法。

更详细的手册

写到这里，我又找到一个更为详细的MOS管手册，英飞凌NMOS管BSC059N04LS6.详细介绍了体二极管的过流能力，包括连续和瞬时电流。

这本手册让我相信了上面的猜测。

下面是BSC059N04LS6手册中体二极管的参数

从上表可以直接看出，体二极管的连续电流可以达到38A，脉冲电流可达236A同时也可以看出，二极管最大导通电压为1V。

这个二极管的连续电流可能会有点惊讶A这么大？

自然，实际应用无法到达。我们需要注意以上条件，即Tc=25℃的，c是case，也就是说，外壳保持25℃情况下的。

在我们的实际应用中，如果没有特殊的散热措施，就不能保证这一点MOS外壳是这个温度，所以它不能继续通过38A的电流。

不过这也无关紧要，我们仅仅是看这个参数的意义，想知道它是怎么来的。

让我们看看手册中的功耗限制

可见，在Tc=25℃功耗限制为38W，前面知道导通电压是1V，电流限制是38A，功耗限制等于电压乘以电流，这太巧合了。

因此，根据功耗限制，体二极管能通过的电流没有运行。

同时，我们看到，在Ta=25℃，功耗限制是3W，这个Ta是环境温度，应该更接近实际使用(不使用特殊散热措施)。

如果用这个值计算，体二极管可以连续通过的电流是3W/1V=3A左右，当然，这个是我的推测，手册里面没写。

至少我们应该知道，体二极管仍然可以通过相对较大的电流。

当然，还有一个问题，上面说的是持续电流，必然会有瞬时电流。瞬时电流能有多大？

这个问题更重要，因为在正常使用中，我们不会给它MOS管道的二极管通过长时间的电流。如果有这种需要，我们可以直接让它MOS管导通不好吗？功耗可以更低。

前面举例的BUCK在中间，体二极管只有在死区才会有电流通过，这是相当短的。

所以这一刻能有多少电流值得一看。

我们还是看BSC059N04LS6手册，因为直接标出来了。

管道的导电流可达59A，在10us能在时间内通过的电流是236A，体二极管也是236A，两者都是一样的，而且都很大，也就是说，体二极管的瞬时电流根本不会成为使用的瓶颈。

也许这就是为什么我们很少关注它MOS只看管体二极管的电流MOS管导通电流是否足够大。

总结以上内容：

1、MOS其实导通后的电流方向可以双向流动，从d到ds，也可以从s到sd。
2、MOS根据管体二极管的连续电流MOS计算管道的功耗限制，
3、MOS管体二极管瞬间通过的电流等于NMOS电流可以在管道通过后立即通过，通常不是瓶颈

NMOS管的结构

我们看一下NMOS管的结构。

以NMOS为例，如上图，S和D都是掺杂浓度比较高的N型半导体，衬底为P型半导体，并且衬底和S极是接到一起的。

在Vgs电压大于门限电压Vth时，也就是栅极相对衬底带正电，它会将P型衬底中的少子（电子）吸引到P型衬底上面，形成反型层，也就是导电沟道。

这时，我们会看到，S和D本身是N型半导体，有很多自由电子，S和D之间也有很多电子，也可以导电。

也就是说，S和D之间，是连通的，到处都有自由电子，可以移动。

因此，我们给S和D之间加上电压，就会形成电流，而且是不管电压的方向如何，只要有电压，就能形成电流，二者没有什么差别。

也就说，电流可以双向流动，可以从D到S，也可以从S到D。

我们接着看体二极管的过流能力

P和N型半导体放到一起，总会形成PN结，也就是二极管。S和D之间体二极管实际是漏极D与衬底形成的，因为S和衬底是接到一起的，那么也就是D和S之间有个体二极管了。

MOS管导通，原理就是因为栅极吸引了P型衬底里面的少子（电子），形成了导电沟道，这个沟道想想也应该比较窄，但是它已经能够支撑起Id的电流了（MOS管导通时电流，每个NMOS都有这个参数）。

那么作为体积大，面积也大的衬底，它与漏极形成的PN结，自然流过的电流达到Id没啥问题（不考虑温度的话）。

不过因为形成的沟道阻值很低，不怎么发热，而PN结总有个导通压降，流过电流会发热，这是个大劣势，所以体二极管受制于这个发热的问题。

所以最终的结果就是，我们会看到体二极管流过的持续电流受制于MOS管的功耗。