氮矽科技推出的GaN HEMT产品，作为先进的功率开关器件，产品规格书中均包含一张关键的安全工作区（Safe Operating Area）即 SOA图。SOA图是评估GaN HEMT在不同电压（VDS）、电流（IDS）及脉冲时间（tpulse）条件下能否安全运行的重要工具。确保GaN HEMT工作点落在SOA区域内，是保障器件安全、可靠运行的前提。本文以DX70C200为例，详细解析其SOA图的构成要素及计算方法。
01
SOA图的组成
GaN HEMT的典型SOA图如下图所示，横坐标为漏源电压VDS，纵坐标为漏源电流IDS。图中由四条关键限制线围成的区域即代表器件的安全工作区，该区域明确界定了器件可以安全操作的电压、电流范围。这四条关键限制线分别为：
RDS(on)限制线（绿线）：描绘了器件在特定条件下导通电阻RDS(on)与漏源电压VDS、漏源电流IDS的线性依赖关系，该线在VDS-IDS坐标系中依据器件实际参数呈现特定斜率。RDS(on)值随器件结温Tj和驱动电压VGS变化，其关系满足欧姆定律。
电流限制线（红线）：表示器件可处理的最大脉冲电流IDS(pulse)，一般取决于器件的封装和内部结构，如键合线的材质、尺寸和数量。
最大功率限制线（紫线）：基于器件耗散功率等于产生功率（Pdissipated = Pgenerated），且结温达到最高允许值Tj(max)时允许的最大功率计算得出。该线受壳温Tc、脉冲时间tpulse及占空比D影响。
击穿电压限制线（蓝线）：表示器件的耐压极限，为垂直线，主要取决于芯片的耐压能力。
电流限制线指最大脉冲电流限制线ID,pulse，击穿电压限制线指 DS 极能承受的最大电压VDS(max)通常以对数坐标表示。这两条线限定了器件的工作区域，也就划定了安全工作区（SOA）的作图范围。
通过查询规格书得知：VDS(max)=700V, ID=10A。
对于Si基MOS器件，ID,pulse 一般取3~4倍ID，同时也要看封装和芯片本身的电流承载能力，取其 中最小的值，而氮化镓器件IDM一般取2倍左右ID，比如DX70C200的ID,pulse 取值为1.8倍ID：
ID, pulse 还应满足欧姆定律，即: I=U/R
综合上述因素，电流限制线为：
击穿电压限制线为:
电流限制线及击穿电压限制线的对数坐标如下图所示：
RDS(on)限制线在VDS和IDS之间呈现出线性依赖关系。此限制线斜率由器件在Tj=25°C且VGS=6V时的最大RDS(on)值决定。因此RDS(on)限制线表示为：
当结温Tj= 150°C，由于RDS(on)的值会随结温升高而增大，所以RDS(on)限制线会下移。
当IDS为直流时，IDS不能超过规格书中的限定值 ID，即：
综合以上条件，当IDS为直流时，RDS(on)限制线表达式为：
在热平衡状态下，为使结温（Tj）稳定达到 150°C 且壳温（Tc）为 25°C 时，系统允许产生的最大功率。显然，系统的散热设计理念，以及由此带来的壳温（Tc）、热阻（RthJC）等热学参数，会对这条限制线产生重大影响。可通过假设热平衡状态来计算该限制线，具体公式推导如下：
在简单热模型中，结温Tj的计算公式为：
其中，RthJC为热阻，指热量在物体上传输时，物体两端温度差与热源功率之间的比值，单位为开尔文每瓦特（K/W）或摄氏度每瓦特（℃/W）。热阻可表示为:
查询器件DX70C200规格书：Tjmax=150℃, Rjc=1.66℃/W, 当壳温Tc 与环境温度Ta一致，都为25℃时，最大电流计算公式为：
由于0≤ID≤10A直流限制工作区域的计算公式为：
以1ms脉冲电流为例，通过瞬态热阻阻抗曲线读取得知，脉冲时间为1ms、100us、10us时的归一化热阻分别为：ZthJC(1ms)=0.65, ZthjC(100us)=0.24, ZthJC(10us)=0.08,则：
由此可得单脉冲电流下的最大功率限制线为：
单脉冲时间1ms下的最大功率限制线为：
瞬态热阻抗曲线如下图所示：
结语：
本文详细解读了氮矽科技GaN HEMT产品的安全工作区（SOA），包括其组成、各限制线的定义与计算方法，以及实际应用中的考量。SOA图是确保GaN HEMT器件安全运行的重要工具，设计师需根据实际工况合理绘制并应用SOA图，以保障系统的可靠性和稳定性。通过本文的解读，期望能够帮助工程师更好地理解和应用氮矽科技的GaN HEMT产品，确保器件在工作时的安全性和可靠性。