二极管、三极管、晶闸管mos管、IGBT区别

目录

1二极管

1.1原理

1.2分类

1.3作用

2三极管

2.1原理

2.2工作状态

2.3应用

2.3.1作开关使用

2.3.2作放大作用

3晶闸管

3.1工作原理

3.2优缺点

3.3常用型号

4MOS管

4.1原理

4.2特点

4.3驱动电路

4.4常用型号

5IGBT

5.1原理

5.2内部结构

5.3驱动电路

5.3.1EXB841/840驱动

5.3.2M57959L/M57962L厚膜驱动电路

5.3.32SD315A集成驱动模块

5.3.4W314光耦模块驱动

6各器件对比

6.1差异总结

6.2差异描述

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1二极管

1.1原理

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态：

①当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

②当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

③当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

1.2分类

二极管分类有：整流二极管、检波二极管、光敏二极管、发光二极管、恒流二极管、稳压二极管、双基二极管、磁敏二极管、精密二极管、隧道二极管、变容二极管、肖特基二极管、贴片二极管、光电二极管、半导体二极管、限流二极管等等。

1.3作用

1、整流二极管 。

利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。 2、作为开关元件。

二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。

3、作为限幅元件。

二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

4、继流二极管。

在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。

5、检波二极管。

在收音机中起检波作用。

6、变容二极管。

使用于电视机的高频头中。

1.4常用型号

IN4007  整流二极管

最大输入反向峰值电压：1000V

最大输入反向平均电压：700V

额定输出电流, If平均：1A

在1A交流25℃下最大正向导通电压：1.1V

正向浪涌电流, Ifs最大:30A

总功率：2.5W

1、1N4001 硅整流二极管 50V, 1A,(Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=50A)，

2、1S1553 硅开关二极管 70V,100mA,300mW, 3.5PF,300ma，

3、2AN1 二极管 5A, f=100KHz，

4、2CK100 硅开关二极管 40V,150mA,300mW,4nS,3PF,450ma，

5、2CN1A 硅二极管 400V, 1A, f=100KHz，

6、2CP1553 硅二极管 Ir≤0.5uA,Vf≤1.4V,≤3.5PF。

2三极管

2.1原理

三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。

2.2工作状态

2.3应用

2.3.1作开关使用

通常在数电中用的最多的是利用截止状态跟饱和状态之间的转换来设置成驱动开关，就连芯片的GPIO设计也是利用了三极管的开关特性（下图是某芯片GPIO工作简图）

同样的，也可以利用它的开关特性把它设计成逻辑电路

1、非门（NOT）

2、与门（AND）

3、或门（OR）

4、与非门（NAND）

5、或非门（NOR）

2.3.2作放大作用

信号由基极输入，集电极输出 —— 共射极放大电路

信号由基极输入，发射极输出 —— 共集电极放大电路

信号由发射极输入，集电极输出 —— 共基极电路

共射极放大电路：

电压和电流增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。

共集电极放大电路：

只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。

共基极放大电路：

只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。

3晶闸管

 可控硅是可控硅整流元件的简称（亦称晶闸管），是一种具有三个PN结的四层结构的半导体器件，属于半控的电流控制器件。

        和其它半导体器件一样，它具有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。

3.1工作原理

        （1）导通

• 栅极悬空时，BG1和BG2截止，没有电流流过负载电阻RL。

• 栅极输入一个正脉冲电压(注入触发电流Ig)时，BG2导通，VCE(BG2)下降，VBE(BG1)升高。

• 正反馈过程：

        Ig↑→Ic2↑→Ia↑→Ic1↑→Ig↑ 使BG1和BG2进入饱和导通状态。

• 电路很快从截止状态进入导通状态。

• 由于正反馈的作用栅极Ig没有触发将保持导通状态不变

        （2）截止

        阳极—阴极加上反向电压

• BG1和BG2截止。

• 加大负载电阻RL使电流减少BG1和BG2的基电流也将减少。

• 当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路翻转为截止状态。

        这个电流为维持电流IH

3.2优缺点

优点：可以带大功率器件，常见如三相整流电路。耐压和耐电流能力很强。

缺点：控制不方便，需要反向电压才可以关断。具有较低的开关频率。

3.3常用型号

4MOS管

小电压控制电流

4.1原理

mos管是金属(metal)-氧化物(oxide)-半导体(semiconductor)场效应晶体管，或者称是金属-绝缘体(insulator)-半导体。MOS管的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

4.2特点

1. 三个极的判定

G极(gate)—栅极，不用说比较好认
S极(source)—源极，不论是P沟道还是N沟道，两根线相交的就是
D极(drain)—漏极，不论是P沟道还是N沟道，是单独引线的那边

2. N沟道与P沟道判别

箭头指向G极的是N沟道
箭头背向G极的是P沟道

3. 寄生二极管方向判定

不论N沟道还是P沟道MOS管，中间衬底箭头方向和寄生二极管的箭头方向总是一致的：
要么都由S指向D，要么都有D指向S

4.NMOS和PMOS区别

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

4.3驱动电路

MOS管的驱动电路有两个要点：

1、瞬态驱动电流要够大，所谓驱动MOS管，主要就是对MOS管栅极的寄生电容的充电放电，也就是打开和关闭MOS管

2、NMOS的Vgs(门-源电压)高于4V即可导通，PMOS的Vgs(门-源电压)低于-4V即可导通

直接驱动NMOS

R1为负载

仅适用于NMOS低端驱动，因为NMOS导通的条件是：Vgs高于4V左右，5V的PWM波刚好满足要求（3.3V的低压单片机这里就有无法完全打开NMOS的风险，表现为MOS发热，或者负载两端电压过低）

推挽输出（图腾柱式驱动）

R1为负载

这个电路是共射极放大电路，主要是起到放大MOS管栅极的驱动电流，不能放大电压，

适用于NMOS低端驱动，单片机直接驱动MOS管的栅极时，电流不够，开关速度过慢，MOS管发热时，可以增加驱动电流，实现更快速的MOS管的开关

一种变换电压的推挽式驱动电路

R8为负载

如果采用PMOS作为高端驱动的话，那么关断PMOS就要使栅极电压至少等于源极电压

采用两个NPN三极管+ 一个二极管，实现给PMOS栅极0V~12V的快速变换

当然也可以用于NMOS的低端驱动

此电路同时适用于3.3V输出的单片机

这里PMOS的寄生二极管没有画错方向，评论区的朋友说画错了，我确认了几遍，确实没错。

这里要说明一下，

NMOS管是漏极(D)流入电流，源极(S)流出电流，栅极(G)控制开关

PMOS管是源极(S)流入电流，漏极(D)流出电流，栅极(G)控制开关

如果NMOS或者PMOS的D-S的方向接反了，那么栅极就失去了控制的功能，管子会一直导通（由于内部寄生二极管存在造成的导通）

采用半桥芯片实现半桥驱动电路

EG3013等半桥芯片的好处是：

1、可以使用两个NMOS实现半桥电路，便宜

2、自举升压电路，方便

3、自带死区控制（避免两个MOS同时导通），安全

缺点嘛。。。有点慢，高频闪烁来控制亮度的话，不太行，如果是控制电机正反转，低频启停用电器话，肯定是没问题的

而且，不一定是用来做半桥，单拿出一路也能直接驱动NMOS，做高低端驱动都可以

4.4常用型号

IRF710    400v 2A

5IGBT

5.1原理

IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

由此可知,IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：

——IGBT栅极与发射极之间的电压；

——IGBT集电极与发射极之间的电压；

——流过IGBT集电极－发射极的电流；

——IGBT的结温。

如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压，流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。

5.2内部结构

IGBT 有三个端子（集电极、发射极和栅极）都附有金属层。然而，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。

IGBT结构是一个四层半导体器件。四层器件是通过组合 PNP 和 NPN 晶体管来实现的，它们构成了 PNPN 排列。

IGBT的内部结构图

如上图所示，最靠近集电极区的层是 (p+) 衬底，即注入区；在它上面是 N 漂移区域，包括 N 层。注入区将大部分载流子（空穴电流）从 (p+) 注入 N- 层。

5.3驱动电路

5.3.1EXB841/840驱动

EXB841工作原理如图1,当EXB841的14脚和15脚有10mA的电流流过1us以后IGBT正常开通，VCE下降至3V左右，6脚电压被钳制在8V左右，由 于VS1稳压值是13V,所以不会被击穿，V3不导通，E点的电位约为20V,二极管VD,截止，不影响V4和V5正常工作。

当14脚和15脚无电流流过，则V1和V2导通，V2的导通使V4截止、V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，引脚3电位下降至0V,是IGBT 栅一 射间承受5V左右的负偏压，IGBT可靠关断，同时VCE的迅速上升使引脚6“悬空”.C2的放电使得B点电位为0V,则V S1仍然不导通，后续电 路不动作，IGBT正常关断。

如有过流发生，IGBT的V CE过大使得VD2截止，使得VS1击穿，V3导通，C4通过R7放电，D点电位下降，从而使IGBT的栅一射间的电压UGE降低 ,完成慢关断，实现对IGBT的保护。由EXB841实现过流保护的过程可知，EXB841判定过电流的主要依据是6脚的电压，6脚的电压不仅与VCE 有关，还和二极管VD2的导通电压Vd有关。

典型接线方法如图2,使用时注意如下几点：

a、 IGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长(一般应该小于1m)，并且应该采用双绞线接法，防止干扰。

b、 由于IGBT集电极产生较大的电压尖脉冲，增加IGBT栅极串联电阻RG有利于其安全工作。但是栅极电阻RG不能太大也不能太小，如果 RG增大，则开通关断时间延长，使得开通能耗增加;相反，如果RG太小，则使得di/dt增加，容易产生误导通。

c、 图中电容C用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化，并不是电源的供电滤波电容，一般取值为47 F.

d、 6脚过电流保护取样信号连接端，通过快恢复二极管接IGBT集电极。

e、 14、15接驱动信号，一般14脚接脉冲形成部分的地，15脚接输入信号的正端，15端的输入电流一般应该小于20mA,故在15脚前加限流 电阻。

f、 为了保证可靠的关断与导通，在栅射极加稳压二极管。

5.3.2M57959L/M57962L厚膜驱动电路

M57959L/M57962L厚膜驱动电路采用双电源(+15V,-10V)供电，输出负偏压为-10V,输入输出电平与 TTL电平兼容，配有短路/过载保护和 封闭性短路保护功能，同时具有延时保护特性。

其分别适合于驱动1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其 以下的 IGBT.M57959L/M57962L在驱动中小功率的IGBT时，驱动效果和各项性能表现优良，但当其工作在高频下时，其脉冲前后沿变的较差，即信 号的最大传输宽度受到限制。且厚膜内部采用印刷电路板设计，散热不是很好，容易因过热造成内部器件的烧毁。

日本三菱公司的M57959L集成IGBT专用驱动芯片它可以作为600V/200A或者1200V/100A的IGBT驱动。其最高频率也达40KHz,采用双电源 供电(+15V和-15V)输出电流峰值为±2A,M57959L有以下特点：

(1) 采用光耦实现电器隔离，光耦是快速型的，适合20KHz左右的高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻，可将5V电压直接加到输入 侧。

(2) 如果采用双电源驱动技术，输出负栅压比较高，电源电压的极限值为+18V/-15V,一般取+15V/-10V.

(3) 信号传输延迟时间短，低电平-高电平的传输延时以及高电平-低电平的传输延时时间都在1.5μs以下。

(4) 具有过流保护功能。M57962L通过检测IGBT的饱和压降来判断IGBT是否过流，一旦过流，M57962L就会将对IGBT实施软关断，并输出过 流故障信号。

(5) M57959的内部结构如图所示，这一电路的驱动部分与EXB系列相仿，但是过流保护方面有所不同。过流检测仍采用电压采样，电路特 点是采用栅压缓降，实现IGBT软关断，

避免了关断中过电压和大电流冲击;另外，在关断过程中，输入控制信号的状态失去作用，既保护关 断是在封闭状态中完成的。当保护开始时，立即送出故障信号，目的是切断控制信号，包括电路中其它有源器件。

5.3.32SD315A集成驱动模块

5.3.4W314光耦模块驱动

通过光耦模块可以实现低压信号控制高压信号。

6各器件对比

6.1差异总结

三极管：用来控制小电流，对小电流电压放大，由单片机直接控制。

晶闸管：驱动大功率，开关频率不高，需要施加反向电压才能关断，主要用于高压。如三相全桥整流。

MOS管：基本用NMOS管，导通电压4V-10V，所以基本需要单片机接驱动电路来控制。优点开关频率可以很高，控制简单，适用于开关电源等。驱动功率没有晶闸管大。

IGBT：PNP三极管和NMOS管的结合，实现小电压控制大电流。驱动电压基本在18V，单片机需要加驱动电路才能驱动，栅极承受不了大电压，需要加保护。适用于大电压、大电流场景，可以作为高频开关使用，始于晶闸管和MOS管优势结合的器件。缺点：价格贵、开关频率没有mos管高。

6.2差异描述

一、晶闸管

　　1、别名：可控硅是一种大功率半导体器件，常用做交流开关，触发电流>50毫安

　　2、特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大、耐高压、耐大电流、大功率

　　3、主要应用领域：整流、逆变、变频、斩波（直流-直流）

二、MOS(MOSFET)管

　　1、作用：

MOS管多被用作电子开关，用在控制回路中控制负载的通断。栅极有电容效应，即使断开了电源，栅极上可能仍保持着电压。

　　2、特性：

　　MOSFET高输入阻抗、驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。N沟道开启电压一般在2~4V；P沟道开启电压一般在-2~-4V。

　　3、辨别NNOS、PMOS方法：

　　借助寄生二极管来辨别。将万用表档位拨至二极管档，红表笔接S，黑表笔接D，有数值显示，反过来接无数值，说明是N沟道；若情况相反是P沟道。

　　4、应用领域：

　　步进马达驱动、电钻工具、工业开关电源、新能源领域、光伏逆变、充电桩、无人机、交通运输领域、车载逆变器、汽车HID安定器、电动自行车、绿色照明领域、CCFL节能灯、LED照明电源、金卤灯镇流器。

三、IGBT

　　1、名称：绝缘栅双极型晶体管，是MOS管和三极管的结合体，主要作用是逆变和变频，俗称电力电子装置的“CPU”。

　　2、特点：兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点,驱动功率小而饱和压降低。呈7大特性：1、80%IGBT带阻尼二极管，且可以替代不带阻尼管使用；2、可以理解为大功率三极管和场效应管组成，但不能简单代替使用；3、检测方式可以是蜂鸣档，也可以是二极管档位；4、继承了场效应管的高阻抗和三极管的高反压的优点，耐电压、耐电流，低功耗；5、应用范围管：电流10-3300A、电压600-6500V、工作频率10-30Kh；6、可做高速开关使用；7、启动电压低3V左右，饱和导通电压较高为5-15V。

　　3、应用领域：非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。