Embedded Systems and Power Electronics

Total Pageviews

About Me

My photo
I am currently a PhD student at UC Berkeley, following a 6-year journey working at Apple after my undergrad years at Cornell University. I grew up in Dhaka, Bangladesh where my interest in electronics was cultivated, resulting in the creation of this blog.

BTemplates.com

Powered by Blogger.

Dec 21, 2023

Sizing IR2110 high-side bootstrap capacitor


I have previously discussed the IR2110 gate driver on this blog: https://tahmidmc.blogspot.com/2013/01/using-high-low-side-driver-ir2110-with.html

A crucial part of the high-side gate driver is the sizing of the bootstrap cap. A common sizing strategy is to "use a large cap" and use a larger one for small frequencies. Here, I present a simple method to model the discharge of the cap in a simple LTSpice simulation to inform the capacitor sizing. Shown below is the simulation setup along with the functional block diagram of the IR2110.




A few key points regarding the setup:
  • S1 and S2 represent the high side gate drive FETs in the IR2110 that drive the HO pin.
  • S3 and S4 represent the low side gate drive FETs in the IR2110 that drive the LO pin.
  • Ibs represents the quiescent VBS current and the offset supply leakage current: Ibs = ILK + IQBS. From datasheet, that evaluates to a max of 50µA + 230µA = 280µA.
  • GDH and GDL have their threshold voltages set at +0.5V (refH) and -0.5V (refL) respectively. These, along with yH and yL generate the drive pulses for S1-S4 and correspondingly M1-M2.
  • C1 is the bootstrap cap here, specified at 1µF.
The logic for generating the drive signals for S1-S4 is shown in the diagrams below. Click on the images to expand.

Now, let's go on to the key discussion regarding the cap sizing.

Once the cap is charged, there are a few discharge paths:
  • Charge transferred to the gate of the MOSFET being driven
  • Current draw due to the gate-source resistor
  • Leakage paths - the largest one modeled here is Ibs
For the charge transfer, consider the gate charge of the MOSFET being driven. This can be gathered from the datasheet of the MOSFET. For the IRFZ44N in this simulation, this is around 40nC-50nC as can be seen from Fig 6 in the IRFZ44N datasheet:
The voltage droop due to charging the MOSFET gate (Qg) can be estimated as:
The voltage droop due to driving current through the gate-source resistor can be estimated as:

VD1 is the forward drop for the bootstrap diode D1. Ton is the on-time given by the product of the duty cycle and period.

Below is the voltage across the boostrap cap from the sim:

Observations from this waveform:
  • Between 440µs and 500µs, M2 is on, which charges the bootstrap cap C1 through D1. A larger charge resistance (D1 on-state resistance) or a larger bootstrap cap C1 would increase this charging time.
  • At 500µs, M1 is turned on. Note that this simulation doesn't model the deadtime, but since we're primarily interested in the boostrap cap's dynamics, that is fine.
  • The sharp vertical drop right after 500µs is the charge transfer to M1's gate.
  • The continued droop afterwards, to 540µs, is due to Ibs and the gate-source-resistance.
  • The voltage drops from 11.403V to 10.921V.
  • VGS for M1 tracks this voltage from 500µs to 540µs.

Below is a simple script to estimate the total droop with Python:
import numpy as np

D = 0.4
Tperiod = 100e-6
Ton = D * Tperiod
V0 = 11.403

Cboostrap = 1e-6
Qg_FET = 45e-9
Rg_on = 1031
Ibs = 280e-6

dV_Qg = -Qg_FET/Cboostrap
dV_Rg = -V0 * (1 - np.exp(-Ton/Rg_on/Cboostrap))
dV_Ibs = -Ibs/Cboostrap * Ton

V_final = V0 + dV_Qg + dV_Rg + dV_Ibs
print("Droop sources:")
print(f" Gate charge: {dV_Qg :.3f} V")
print(f" Gate resistor: {dV_Rg :.3f} V")
print(f" Ibs: {dV_Ibs :.3f} V")

print(f"Droops from {V0 :.3f} V to {V_final :.3f} V")


The output of the script is:

Droop sources:
  Gate charge: -0.045 V
  Gate resistor: -0.434 V
  Ibs: -0.011 V
Droops from 11.403 V to 10.913 V

The computed droop matches very well with the simulation!

Key observations:
  • The droop will get worse with reduced gate-source resistance. Using a larger resistance than 1k will reduce the droop.
  • The droop will get worse with a longer on-time. This is why a larger capacitance is needed when operating at lower frequencies such as 50Hz or 60Hz.
  • Using a super large cap will increase how long the cap will require being charged at startup. This may be dealt with by precharging the cap (by turning on M2) before M1 has to be turned on.
  • A 100% duty cycle can't be used since the bootstrap cap can't be recharged. How high the max possible duty cycle is depends on how long it takes to recharge the cap through the bootstrap diode.
  • Gate charge for the MOSFET is a weak function of applied voltage and a very strong function of gate voltage. A larger gate drive voltage will result in a greater droop. Note though that this may not matter if the gate-source resistor dominates the droop.
  • A good max allowable droop is given by the 9.7V figure for the IR2110's max VBS undervoltage threshold. Given that there are always additional leakage components, and the cap has an associated tolerance (in many cases >20%), you will want to build in lots of margin.

Hopefully, this was a useful introduction to sizing the bootstrap capacitance for the IR2110 (or other gate driver). Here is also a good reference to look at: AN-978

If you want further clarification on any aspect of this, do let me know in the comments!

7 comments:

  1. প্রিয় তাহমিদ ভাইয়া,
    আমি আপনার লেখা ব্লগ-গুলির নিয়মিত পাঠক।আপনি যে এতো ব্যস্ততার মধ্যেও সময় করে মাইক্রোকন্ট্রোলার/ইলেকট্রনিক্স বিষয়ক ব্লগ-গুলি লেখেন সেই জন্য আন্তরিকভাবে ধন্যবাদ জানাই। এবার আপনার কাছে আমি একটি অনুরোধ রাখবো।প্রথমেই বলে রাখি আমি একজন ইলেকট্রনিক্স হবিষ্ট বা শখের বশে ইলেকট্রনিক্স চর্চা করি।কিন্তু ইলেকট্রনিক্স চর্চা করতে গিয়ে একটা জিনিস বুঝেছি যে খুব গভীর নলেজ না থাকলে, ভালো ইলেকট্রনিক্স হবিষ্ট/ইঞ্জিনিয়ার হওয়া সম্ভব নয়।তাই এই বিষয়ে সবার আগে প্রয়োজন একটি ভালো বই।এমন বই, যেটা যেমন নতুন শিক্ষার্থী দেরকেও সাহায্য করবে তেমনি এক্সপার্টদের কেও সাহায্য করবে।দুঃখের বিষয় বাংলা ভাষায় এরকম ভালো কোনো বইয়ের সন্ধান আমি পাইনি। বাজার চলতি যেসব বই আছে সেগুলো পড়ে ইলেকট্রনিক্স সম্পর্কে কিছুটা ধারণা পাওয়া গেলেও জটিল কোনো সার্কিটের ব্যাখ্যা সেইসব বইতে লেখা নেই বা আমাদের মতো হবিষ্টদের ঐ বই পড়ে নতুন প্রজেক্ট বা সার্কিট বানানো বেশ মুশকিলের। বর্তমানে আমি দুইটি বই ফলো করি একটি হল Paul Horowitz, ও Winfield Hill এর লেখা The art of electronics যেটা বাস্তবে প্র্যাকটিক্যাল কোনো সার্কিট বানানোর জন্য খুবই গ্রহণযোগ্য একটা বই।এই বইটিতে প্রচুর প্র্যাকটিক্যাল উদাহরণ আছে। যদিও এই বইটিতে ইলেকট্রনিক্স ম্যাথমেটিক্স এবং ইকুয়েশন একটু কম আছে। আপনার কাছে আমার অনুরোধ হল আপনি যদি যথাযথ সার্কিটের ব্যাখ্যা ও সমীকরণ সহ এই বইটির বাংলা অনুবাদ করেন তাহলে আমার মতো অনেকেই বিশেষত হবিষ্ট/ইঞ্জিনিয়াররা ভীষণ উপকৃত হবে।আপনার কাছে আমার এরকম অনুরোধের কারণ আমার মনে হয়েছে এই বিষয়ে আপনার নলেজ এবং অভিজ্ঞতা দুই-ই রয়েছে।
    এছাড়া আমি ব্যক্তিগতভাবে, Louis Nashelsky ও Robert Boylestad এর লেখা ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT THEORY বইটি ফলো করি। থিওরির জন্যেও এটাও খুব ভালো বই এই বইয়ের ভাষাটা একটু শক্ত বলে, পড়ে মানে উদ্ধার করতে যথেষ্ঠ বেগ পেতে হচ্ছে।এই বইটিরও বাংলা অনুবাদ পেলে খুব সুবিধা হয়। আপনার কাছে বিশেষ অনুরোধ যে আপনি যদি থিওরী ও প্র্যাকটিক্যাল এর সাথে সামঞ্জস্য রেখে সহজ ভাষায় সুখপাঠ্য একটি বই প্রকাশ করেন তাহলে খুবই ভালো হয়।

    ReplyDelete
  2. প্রিয় তাহমিদ ভাইয়া,
    আমি আপনার লেখা ব্লগগুলির নিয়মিত পাঠক।আপনি যে এতো ব্যস্ততার মধ্যেও সময় করে ব্লগগুলি লেখেন সেই জন্য আন্তরিকভাবে ধন্যবাদ জানাই। এবার আপনার কাছে আমি একটি অনুরোধ রাখবো।প্রথমেই বলে রাখি আমি একজন ইলেকট্রনিক্স হবিষ্ট বা শখের বশে ইলেকট্রনিক্স চর্চা করি।কিন্তু ইলেকট্রনিক্স চর্চা করতে গিয়ে একটা জিনিস বুঝেছি যে খুব গভীর নলেজ না থাকলে, ভালো ইলেকট্রনিক্স হবিষ্ট/ইঞ্জিনিয়ার হওয়া সম্ভব নয়।তাই এই বিষয়ে সবার আগে প্রয়োজন একটি ভালো বই।এমন বই, যেটা যেমন নতুন শিক্ষার্থী দেরকেও সাহায্য করবে তেমনি এক্সপার্টদের কেও সাহায্য করবে।দুঃখের বিষয় বাংলা ভাষায় এরকম ভালো কোনো বইয়ের সন্ধান আমি পাইনি। বাজার চলতি যেসব বই আছে সেগুলো পড়ে ইলেকট্রনিক্স সম্পর্কে কিছুটা ধারণা পাওয়া গেলেও জটিল কোনো সার্কিটের ব্যাখ্যা সেইসব বইতে লেখা নেই বা আমাদের মতো হবিষ্টদের ঐ বই পড়ে নতুন প্রজেক্ট বা সার্কিট বানানো বেশ মুশকিলের। বর্তমানে আমি দুইটি বই ফলো করি একটি হল Paul Horowitz, ও Winfield Hill এর লেখা The art of electronics যেটা বাস্তবে প্র্যাকটিক্যাল কোনো সার্কিট বানানোর জন্য খুবই গ্রহণযোগ্য একটা বই।এই বইটিতে প্রচুর প্র্যাকটিক্যাল উদাহরণ আছে। যদিও এই বইটিতে ইলেকট্রনিক্স ম্যাথমেটিক্স এবং ইকুয়েশন একটু কম আছে। আপনার কাছে আমার অনুরোধ হল আপনি যদি যথাযথ সার্কিটের ব্যাখ্যা ও সমীকরণ সহ এই বইটির বাংলা অনুবাদ করেন তাহলে আমার মতো অনেকেই বিশেষত হবিষ্ট/ইঞ্জিনিয়াররা ভীষণ উপকৃত হবে।
    এছাড়া আমি, Louis Nashelsky ও Robert Boylestad এর লেখা ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT THEORY বইটি ফলো করি।থিওরির জন্যেও এটাও খুব ভালো বই এই বইয়ের ভাষাটা একটু শক্ত বলে, পড়ে মানে উদ্ধার করতে যথেষ্ঠ বেগ পেতে হচ্ছে।এই বইটিরও বাংলা অনুবাদ পেলে খুব সুবিধা হয়। আপনার কাছে বিশেষ অনুরোধ যে আপনি যদি থিওরী ও প্র্যাকটিক্যাল এর সাথে সামঞ্জস্য রেখে সহজ ভাষায় সুখপাঠ্য একটি বই প্রকাশ করেন তাহলে খুবই ভালো হয়।

    ReplyDelete
  3. Hi. Could you please show in detail on the Functional Block Diagram of this IC which paths does current flows on high side channel through totem pole BJTs for full cycle (on and off)? I need to understand if the isolated supply's Vs pin does function of ground and totaly isolated from com and Vss. It would be great help on understanding the principle of work of the IC.

    ReplyDelete
    Replies
    1. VS gets pulled to GND (COM, VSS) when the low-side FET turns on. This charges the bootstrap capacitor. When the low-side FET turns off, VS is then floating and is at the potential of the high-side source.

      Delete
  4. add to my previous comment^ I would like to see grounds (Vss, COM, Vs) pin relations to each other and how they isolated from each other. Its not clear on block diagram of IC2110. Still cannot understand why high side cannel works only when I make connection between COM and Vs. Otherwise it dont work. Previously I thought that this happens because of big potential difference between Vs and COM. I can make it clear for myself only when I will be able to see whole curcuit of above mentioned grounds.

    ReplyDelete
    Replies
    1. COM and VSS are at ground potential. COM is the return for the low-side gate drive. VSS is the return/reference for the logic signals.
      VS should be floating relative to COM for high-side drive. When you say "high-side channel works", are you referring to the overall functionality or your ability to observe the high-side gate signal? If you're using a single-ended scope probe, recall that HO is only accurate relative to VS as far as observing your high-side VGS; if you're probing HO relative to GND, you'll observe HO at the right (low-voltage) VGS when VS is grounded (low-side FET is on). But otherwise, HO will be at a higher observed voltage - since it will be equal to VGS + VS.

      Delete
    2. I tested it without mosfets: at the load side (HO pin) was only scope probe without any component. I even tested it without using probe's ground to avoid its influence on IC. Same effect. Result is: high side of IC doesnt show any sign of signal until I make galvanic connection between Vs and COM. I used two supplies: one for logic and at the same time used it for low side - 9 V and another 10 V battery for high side for isolated supply. Directly connected 10 V battery leads to Vs (-) and Vb (+). Result: HO didnt show any signal. It seams to me if high side gets supply from 10 V battery it should work anyway, but in reality it doesnt. If electron current flows in through low totem pole FET's SG capacitance it should go through all curcuit and exit from Vb charging it and open it? Am I right? If so, it should work then. But, if I am wrong and this current should goes to COM then I can understand why it doesnt. You can do this experiment youself if you dont believe. I can explain it only in one situation: low FET's input capacitance cannot charge because charging circuit is open and it closes only when connection between COM and Vs was made. Iam not testing it on conventional application because I try to use it in non-standard use and before I could use it I should make it work in above mentioned condition.
      Thanks for your reply.

      Delete