引言：在現代嵌入式硬件設計中，開關元件作為電路中的重要組成部分，起著至關重要的作用。三種主要的開關元件——IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）和三極管（BJT）各自具有不同的特點和適用場景。在嵌入式系統、電動汽車、工業自動化、逆變器、電源管理等領域，它們都扮演著不可或缺的角色。本篇文章將深入探討這三種開關元件的應用場景、技術特點、面臨的問題及它們之間的主要區別，幫助讀者更好地理解這些元件的選擇和應用。

目錄

1.開關電路介紹

2.MOS管的問題

3.三極管的問題

4.IGBT的問題

5. 三者的主要區別

1.開關電路介紹

需要知道IGBT MOS管 三極管應用場景與區別，我們先了解下述的內容，首先就是開關電路，左圖的開關是在一直開關不停切換的狀態，那么電壓的波形就是右邊的一個PWM波形，比如電動汽車，他內部的模型就是一個電池加上一個電機，當然中間也需要一個電機調速器，因此這個電機調速器也是通過類似于開關來作用的。

因此你想開的快些，開關閉合時間就長些，否則閉合時間就短些。

其實變頻空調的原理也是一樣的，通過變頻器，也就是開關電路的原理了。

2.MOS管的問題

你給他的gate施加高電平的時候，mos管的DS之間就等效為一個閉合的開關，那么反之給gate施加一個低電平的時候，mos管的DS之間就等效為一個斷開的開關的狀態。因為在高壓的情況下，mos管的耐受能力不行，400V就到頭了，很容易燒壞。

MOSFET是一種場效應晶體管，具有高輸入阻抗和非常快的開關速度，廣泛用于低功率、開關頻率較高的應用。

應用場景：

低功率開關電源（SMPS）：MOSFET廣泛用于開關電源中，特別是在較低電壓下，如5V至100V的應用。

電動汽車充電器：在電動汽車充電器中，MOSFET用于高頻開關，提供高效率的電壓轉換。

DC-DC轉換器：MOSFET在DC-DC轉換器中用作開關元件，能夠實現高效的能量轉換。

音頻放大器：在音頻放大器中，MOSFET用于高頻率開關，能夠提高音頻信號的功率輸出。

優點：

高速開關，適合高頻應用。

開關損耗低，效率高。

結構簡單，易于控制。

缺點：

電壓承受能力相對較低，一般在200V以下，部分高壓MOSFET可承受更高電壓。

在大電流應用中可能出現較大的導通電阻，導致較高的導通損耗。

3.三極管的問題

如果考慮到三極管你還需要注意的是如何產生一個驅動的電流呢？用單片機肯定是不行的，他的IO口輸出不了太高的電流，最多20mA，那是不是可以用mos管相加呢？

但是這樣的電路是有問題的，需要額外的電源還有電阻，因此改成如下的狀態會更好。

但是其實這樣的電路結構就是IGBT了。

三極管是一種較早的半導體器件，它的工作原理基于電流控制，適用于高功率放大應用，但在開關性能上不如MOSFET和IGBT。

應用場景：

音頻放大器：三極管常用于音頻放大器中，能夠提供高增益和線性放大。

模擬電路：在一些低頻模擬電路中，三極管依然作為主要的增益元件使用。

低功率開關電路：雖然三極管的開關速度較慢，但在某些低功率、低頻應用中仍然被使用。

優點：

高增益和較低的飽和壓降。

在低頻電路中具有良好的放大特性。

缺點：

開關速度較慢，不適合高頻應用。

輸入阻抗低，控制復雜。

熱穩定性差，易產生熱失控。

4.IGBT的問題

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）介紹

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種混合型半導體開關器件，結合了MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）和BJT（雙極性結型晶體管）兩者的優點。它將MOSFET的高輸入阻抗和BJT的高電流承載能力結合起來，廣泛應用于高功率和中高電壓的電子控制系統中。

IGBT的基本結構與工作原理

IGBT的結構類似于一個MOSFET與BJT的組合，通常包括四層半導體材料（P-N-P-N結構），包括一個柵極、源極和漏極。它的工作原理基于以下幾個步驟：

1. 柵極控制：輸入電壓通過柵極控制IGBT的開關狀態。當柵極電壓達到一定閾值時，IGBT被開啟（導通狀態），反之，關閉（斷開狀態）。

2. 載流子注入：當柵極電壓足夠高時，電子（或孔）通過源極注入到基極區，進而通過PNPN結構的作用進行載流子注入，產生集電極電流。類似于BJT的工作機制，IGBT在導通時可以通過基極區進行大電流流動。

3. 關斷機制：當柵極電壓降低到閾值以下時，IGBT關斷，電流無法流過集電極與發射極之間，形成斷開狀態。

與BJT不同，IGBT的柵極由MOS結構控制，因此其輸入特性類似MOSFET，具有很高的輸入阻抗，不需要持續的控制電流。這使得它比BJT更容易驅動。

GBT結合了MOSFET的輸入特性和BJT的輸出特性，因此它在高電壓和大電流應用中表現出色。

應用場景：

電動汽車：在電動汽車的電機驅動系統中，IGBT被廣泛應用于電機調速器（例如逆變器）中。電動汽車的電機調速器通過開關頻率調節電機的工作電流，實現精確控制。

變頻器（VFD）：IGBT是工業用變頻器中的核心開關元件，控制電機的速度和轉矩，常用于空調、泵和風機等設備的驅動系統。

電力逆變器：IGBT在光伏逆變器和風力發電系統中廣泛使用，用于將直流電轉換為交流電。

電力電子轉換器：在高功率電源和電力傳輸系統（如高壓直流輸電）中，IGBT用于開關控制，能夠承受較高的電壓和電流，適應高功率需求。

優點：

能夠承受較高的電壓（通常為600V至4500V）。

在較高電流下依然能保持較低的導通損耗。

開關速度適中，適合高功率控制。

缺點：

開關速度相對較慢，不適合高頻應用。

導通損耗相對較大。

5. 三者的主要區別

特性	IGBT	MOSFET	三極管
控制方式	電壓控制（類似MOSFET）	電壓控制	電流控制
承受電壓	高（600V~4500V）	中等（30V~1500V）	低（一般<100V）
承受電流	高（幾十安培到幾百安培）	低至中等	中等
開關速度	中等	高（適用于高頻）	低
導通損耗	較大	較小	較小
效率	較高（高功率應用）	高（高頻應用）	一般
適用場景	高功率、高電流的電力電子應用（電動汽車、電力逆變器等）	高頻開關應用（電源、電動工具、電動汽車充電器等）	音頻放大器、低頻放大應用

IGBT 主要用于高功率、高電流的應用場合，適合電動汽車電機控制、逆變器等高功率控制系統。

MOSFET 適用于高頻、高效率的開關電路，如開關電源、DC-DC轉換器、電動汽車充電器等。

三極管 在低頻模擬電路、音頻放大器等領域仍有廣泛應用，但在高頻或高功率開關應用中逐漸被替代。