【经验】MOS管导通电流方向及MOS管体二极管最大极值分析

本文SLKOR主要就以下两个问题展开介绍：

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？

为何会出现以上两个问题，原因在于我们在最开始学习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）。

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。

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

文章开头的两个问题，其实用一个电路就能解答了，就是下面这个BUCK电路。

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。而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。那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是2.1A。

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，以上说法也有待进一步验证。

以下是更为详细的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。

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。那么这个二极管持续电流能到38A吗？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。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。

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。

所以，体二极管能通过的电流就是根据功耗限制来的。

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，一般不会给MOS管的体二极管通过持续时间比较长的电流。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。

这个管子导通电流可以到59A，在10μs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。

接下来尝试从MOS管的原理上来验证以上的内容。 

NMOS管的结构如下：

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。

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。因此最终的结果就是体二极管流过的持续电流受制于MOS管的功耗。