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MOS管电流方向能反吗?体二极管能过多大电流?

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:1289

今天来说 两个问题:

1、MOS管导通电流能否反着流?D到S,S到D方向随意?   2、MOS管体二极管能过多大的电流?  

 

为啥会有这两个问题?

我们在最开始学习MOS管的时候,应该都是从NMOS开始的,电流的方向都是从D到S的。

而实际应用电路,NMOS会有电流从S到D的情况,比如下面这个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)。

原理我还是先大致说下。

1、在电源正常接入的时候  

电源正极VCC经过后级负载电路接到体二极管,那么体二极管就会导通,于是此时S极的电压就约为0.7V左右(体二极管导通电压)。

同时栅极G极接的是VCC,所以Vgs=Vcc-0.7V>Vgsth,NMOS管会导通。NMOS管导通之后,导通压降基本为0,那么Vgs=Vcc,MOS管维持导通状态。

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,就是此时MOS管的电流是S到D的,与往常我们经常见的D到S是反的

 

2、在电源接反的时候(电源和地接反了)  

栅极G接电源负极,也就是0V,S极经过负载接到了电源负极,也就是0V,所以Vgs=0V,MOS管也不导通。

与此同时, D极为Vcc,S极为0V,体二极管反向偏置,也不导通,所以无法通过NMOS管流过电流。

对于负载来说,就是电源断开了

接反的电源不会怼到后面的负载上面,所以后级电路就不会烧了,我们只要把前面的电源正负极接对,那么后级电路又能正常工作了,如此,便实现了防反接的功能。

需要说一点,这里的防反接并不是说电源接反了,后级电路也还能工作。而是电源接反了,后级电路不会冒烟烧坏了。

 

我以前乍一看到这个电路的时候,其实是心里打鼓的

这个MOS管导通时,电流能反着流?D到S,S到D无所谓吗?


除了这个电流的方向问题,还有就是MOS管的体二极管问题,这个二极管能过多大的电流?

如果不了解,会认为这个二极管能流过的电流非常小,因为它还有一个名称叫“寄生二极管”,很容易被它骗。

寄生二字,会很容易让人联想到寄生电感,寄生电容,而这两个东西一般都是很小的,所以很容易误认为这个寄生二极管也很弱,过不了比较大的电流。

 

问题解答

这两个问题,其实用一个电路就能解答了,就是下面这个BUCK电路。

应该都知道上面这是个buck电路吧,下管是NMOS管,在上管断开,下管导通的时候,电感的电流来源于下管。

也就是说,下管NMOS的电流方向是从S到D的,也就是反着流,并且这个电流可以是很大的,因为电感的电流是可以比较大的,跟负载有关。

 

除此之外,从之前的文章《BUCK的振铃实验与分析》里面我们也知道,BUCK在开关切换的时候,会存在死区时间(上管和下管都不导通的时候)。而电感的电流是不能断的,死区时间电感的电流就是走的下管的体二极管。

又因为电感的电流取决于负载电流,是可以到几安培的,所以说下管的体二极管的电流也是可以很大的。

 

MOS管的体二极管电流最大能到多少呢?选型的时候需要考虑吗?

很多MOS管是不标注这个参数的,但是也有一些厂家标注了,比如这个NMOS管SI9804


从上面手册看到,可以通过的持续电流2.1A

 

这个是怎么来的呢?

这个我觉得可能是根据功耗限制来的

如果通过的电流时间很短,那么可以通过更大一点的电流,如果时间比较长,那么流过的电流就不能太大。

从上图可以看到,环境温度25℃的最大功耗是2.5W。这么看的话,前面说的持续电流是2.1A,应该也是根据功耗限制来的。

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

当然,以上只是我的猜测而已,并没有找到什么比较官方的说法。

 

一个更详细的手册

写到这里,我又找到一个更为详细的MOS管手册,英飞凌的NMOS管BSC059N04LS6,里面有详细介绍体二极管的过流能力,包括持续和瞬间的电流。

这个手册让我确信了上面的猜测

下面是BSC059N04LS6手册里面的体二极管的参数

从上表直接可以看到,体二极管的持续电流是可以到38A脉冲电流是可以到236A的,同时,也可以看到,二极管最大导通电压是1V

 

可能会有些诧异,这个二极管持续电流能到38A这么大?

实际应用自然是到不了,我们需要注意上面是有个条件,那就是Tc=25℃的,c是case,也就是外壳保持25℃情况下的。

我们实际应用中,如果不加特别的散热措施,肯定是没法保证这个MOS外壳是这个温度,自然也就不能持续通过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。

我们再看看手册里面的功耗限制

可以看到,在Tc=25℃时,功耗限制是38W,前面知道导通电压是1V,电流限制是38A,正好功耗限制等于电压乘以电流,这也太巧了。

所以,体二极管能通过的电流就是根据功耗限制来的没跑了。

同时,我们看到,在Ta=25℃,功耗限制是3W,这个Ta就是环境温度了,这个与实际使用情况应该是更为接近的(不使用特别散热措施)。

如果用这个值计算,那么体二极管能持续通过的电流也就是3W/1V=3A左右,当然,这个是我的推测,手册里面没写。

 

到这里,至少我们应该知道了,体二极管还是能过比较大的电流的

当然,还有一个问题,上面说的是持续的电流,必然还有瞬间电流的问题,瞬间电流能过多大呢?

这个问题反而更为重要一点,因为正常使用中,我们不会给MOS管的体二极管通过持续时间比较长的电流。如果有这个需要,我们直接让MOS管导通不就好了吗,功耗还能更低。


前面举例的BUCK中,体二极管也只是在死区时间才会有电流通过,这个时间是相当短暂的。

所以这个瞬间能过多大的电流反而更值得看一看

我们还是看BSC059N04LS6的手册,因为它都直接标出来了。

这个管子导通电流可以到59A,在10us时间内能通过的电流是236A,而体二极管也是236A,二者是相同的,而且都很大,也就是说体二极管的瞬间电流根本就不会成为使用的瓶颈。

也许这就是为什么我们很少去关注MOS管的体二极管的电流,只看MOS管导通电流够不够大。

 

以上内容小结一下

1、MOS导通后电流方向其实可以双向流动,可以从d到s,也可以从s到d。   2、MOS管体二极管 的持续电流可以根据MOS管的功耗限制来计算,   3、MOS管体二极管瞬间可以通过的电流,等于NMOS管导通后瞬间可以通过的电流,一般不会是瓶颈  

 

本来写到这里,文章也已经可以结束了,不过我还是想着能不能从MOS管的原理上看出上面的内容

以下是我的一些理解,供参考。

 

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

 

以上关于原理的说法,看着是自洽的,纯属个人看法,如有问题,欢迎在留言区指正。






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