1、MOS管導通電流能否反著(zhù)流?D到S,S到D方向隨意?2、MOS管體二極管能過(guò)多大的電流?
為啥會(huì )有這兩個(gè)問(wèn)題?
我們在最開(kāi)始學(xué)習MOS管的時(shí)候,應該都是從NMOS開(kāi)始的,電流的方向都是從D到S的。


而實(shí)際應用電路,NMOS會(huì )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)。


原理我還是先大致說(shuō)下。
1、在電源正常接入的時(shí)候
電源正極VCC經(jīng)過(guò)后級負載電?#26041;?#21040;體二極管,那么體二極管就會(huì )導通,于是此時(shí)S極的電壓就約為0.7V左右(體二極管導通電壓)。
同時(shí)柵極G極接的是VCC,所以Vgs=Vcc-0.7V》Vgsth,NMOS管會(huì )導通。NMOS管導通之后,導通?#33322;?#22522;本為0,那么Vgs=Vcc,MOS管維持導通狀態(tài)。
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(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(jiàn)的D到S是反的。
2、在電源接反的時(shí)候(電源和地接反了)
柵極G接電源負極,也就是0V,S極經(jīng)過(guò)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(shí), D極為Vcc,S極為0V,體二極管反向偏置,也不導通,所以無(wú)法通過(guò)NMOS管流過(guò)電流。
對于負載來(lái)說(shuō),就是電源斷開(kāi)了。
接反的電源不會(huì )懟到后面的負載上面,所以后級電路就不會(huì )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(shí)現了防反接的功能。
需要說(shuō)一點(diǎn),這里的防反接并不是說(shuō)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(huì )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管導通時(shí),電流能反著(zhù)流?D到S,S到D無(wú)所謂嗎?
除了這個(gè)電流的方向問(wèn)題,還?#33455;?#26159;MOS管的體二極管問(wèn)題,這個(gè)二極管能過(guò)多大的電流?
如果不了解,會(huì )認為這個(gè)二極管能流過(guò)的電流非常小,因為它還有一個(gè)名稱(chēng)叫“寄生二極管”,很容易被它騙。
寄生二字,會(huì )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,所以很容易誤認為這個(gè)寄生二極管也很弱,過(guò)不了?#23481;^大的電流。
問(wèn)題解答
這兩個(gè)問(wèn)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。


應該都知道上面這是個(gè)buck電路吧,下管是NMOS管,在上管斷開(kāi),下管導通的時(shí)候,電感的電流來(lái)源于下管。
也就是說(shuō),下管NMOS的電流方向是從S到D的,也就是反著(zhù)流,并且這個(gè)電流可以是很大的,因為電感的電流是可以?#23481;^大的,跟負載有關(guān)。
除此之外,從之前的文章《BUCK的振鈴實(shí)驗與分析?#38450;?#38754;我們也知道,BUCK在開(kāi)關(guān)切換的時(shí)候,會(huì )存在死區時(shí)間(上管和下管都不導通的時(shí)候)。而電感的電流是不能斷的,死區時(shí)間電感的電流就是走的下管的體二極管。
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(shuō)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管是不標注這個(gè)參數的,但是也有一些廠(chǎng)家標注了,比如這個(gè)NMOS管SI9804
從上面手冊看到,可以通過(guò)的持續電流是2.1A。
這個(gè)是怎么來(lái)的呢?
這個(gè)我覺(jué)得可能是根據功耗限制來(lái)的。
如果通過(guò)的電流時(shí)間很短,那么可以通過(guò)更大一點(diǎn)的電流,如果時(shí)間?#23481;^長(cháng),那么流過(guò)的電流就不能太大。
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(huà),前面說(shuō)的持續電流是2.1A,應該也是根據功耗限制來(lái)的。
根據常規硅二極管,通過(guò)2.1A電流時(shí),導通?#33322;?#22823;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(méi)有找到什么?#23481;^官方的說(shuō)法。
一個(gè)更詳細的手冊
寫(xiě)到這里,我又找到一個(gè)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(guò)流能力,包括持續和瞬間的電流。
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
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(shí),也可以看到,二極管最大導通電壓是1V。
可能會(huì )有些詫異,這個(gè)二極管持續電流能到38A這么大?
實(shí)際應用自然是到不了,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)際應用中,如果不加特別的散熱措施,肯定是沒(méi)法保證這個(gè)MOS外殼是這個(gè)溫度,自然也就不能持續通過(guò)38A的電流。
不過(guò)這也無(wú)關(guān)緊要,我們僅僅是看這個(gè)參數的意義,想知道它是怎么來(lái)的。
我們再看看手冊里面的功耗限制
可以看到,在Tc=25℃時(shí),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(guò)的電流就是根據功耗限制來(lái)的沒(méi)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)際使用情況應該是更為接近的(不使用特別散熱措施)。
如果用這個(gè)值計算,那么體二極管能持續通過(guò)的電流也就是3W/1V=3A左右,當然,這個(gè)是我的推測,手冊里面沒(méi)寫(xiě)。
到這里,至少我們應該知道了,體二極管還是能過(guò)?#23481;^大的電流的。
當然,還有一個(gè)問(wèn)題,上面說(shuō)的是持續的電流,必然還有瞬間電流的問(wèn)題,瞬間電流能過(guò)多大呢?
這個(gè)問(wèn)題反而更為重要一點(diǎn),因為正常使用中,我們不會(huì )給MOS管的體二極管通過(guò)持續時(shí)間?#23481;^長(cháng)的電流。如果有這個(gè)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(shí)間才會(huì )有電流通過(guò),這個(gè)時(shí)間是相當短暫的。
所以這個(gè)瞬間能過(guò)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(lái)了。
這個(gè)管子導通電流可以到59A,在10us時(shí)間內能通過(guò)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(shuō)體二極管的瞬間電流根本就不會(huì )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(shí)可以雙向流動(dòng),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(lái)計算,3、MOS管體二極管瞬間可以通過(guò)的電流,等于NMOS管導通后瞬間可以通過(guò)的電流,一般不會(huì )是瓶頸
本來(lái)寫(xiě)到這里,文章也已經(jīng)可以結束了,不過(guò)我還是想著(zhù)能不能從MOS管的原理上看出上面的內容。
以?#29575;?#25105;的一些理解,供參考。
NMOS管的結構
我們看一下NMOS管的結構。
以NMOS為例,S和D都是摻雜濃度?#23481;^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(mén)限電壓Vth時(shí),也就是柵極相對襯底帶正電,它會(huì )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?#31995;馈?/div>
這時(shí),我們會(huì )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(shuō),S和D之間,是連通的,到處都有自由電子,可以移動(dòng)。
因此,我們給S和D之間加上電壓,就會(huì )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(méi)有什么差別。
也就說(shuō),電流可以雙向流動(dòng),可以從D到S,也可以從S到D。
我們接著(zhù)看體二極管的過(guò)流能力
P和N型半導體放到一起,總會(huì )形成PN結,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,因為S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?#31995;溃?#36889;個(gè)?#31995;?#24819;想也應該?#23481;^窄,但是它已經(jīng)能夠支撐起Id的電流了(MOS管導通時(shí)電流,每個(gè)NMOS都有這個(gè)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(guò)的電流達到Id沒(méi)啥問(wèn)題(不考慮溫度的話(huà))。
不過(guò)因為形成的?#31995;?#38459;值很低,不怎么發(fā)熱,而PN結總有個(gè)導通?#33322;担?#27969;過(guò)電流會(huì )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(wèn)題。
所以最終的結果就是,我們會(huì )看到體二極管流過(guò)的持續電流受制于MOS管的功耗。
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