Parallelschaltung von DC/DC-Wandlern lässt sich unterschiedlich umsetzen

Der naheliegende und leichteste Weg für die Parallelschaltung von Stromversorgungen wäre, deren Ausgänge einfach miteinander zu verbinden. Normalerweise funktioniert dies jedoch nicht, da jedes Gerät seine eigene Regelung für die Ausgangsspannung hat und versucht, diese auch bei Laständerungen und gegen die Regelung der anderen Geräte einzuhalten.

Dies gilt auch für Geräte mit traditionellem internen Fehlerverstärker mit Referenz, bei denen Unterschiede in den Parametern von Gerät zu Gerät immer dazu führen, dass ein Gerät die komplette Last übernimmt, während die anderen keinen Strom liefern. Dies führt letztendlich zu einer Überlast und einem potenziellen Zusammenbruch der kompletten Versorgung.

Ein Lösungsweg für diese direkte Zusammenschaltung wäre, dass ein Gerät sich im Konstantspannungsbetrieb befindet, die anderen Geräte jedoch im Konstantstrombetrieb, allerdings mit einem etwas höheren Wert für die nominale Ausgangsspannung. Dabei müssen Entwickler bedenken, dass nicht alle Stromversorgungen diese Betriebsarten erlauben. Die Versorgungen, deren Ausgangsspannungen etwas höher eingestellt wurden, liefern einen konstanten Ausgangsstrom und deren Ausgangsspannung sinkt jeweils so weit ab, bis sie den Wert des Gerätes mit konstanter Ausgangsspannung erreicht. Die Last muss dabei genug Strom ziehen, damit die Stromversorgungen mit Konstantstromkennlinie auch in diesem Arbeitsmodus bleiben.

Diese Lösung mit direkt verbundenen Ausgängen setzt voraus, dass entweder die Stromversorgung sich für diesen Anwendungsfall eignet oder dass es einen einzigen Fehlerverstärker in der Regelschleife gibt. Dieser meldet die Abweichung an alle Stromversorgungen, sodass alle die Last aufteilen. Diese Methode erfordert jedoch auch einen sogenannten Share Bus für die Kontrollsingale von den Master zu den Slave Geräten.

Bei einem anderen Ansatz werden kleine Widerstände jeweils in Reihe zu den Ausgängen jeder Stromversorgung geschaltet, um damit eine gleichmäßige Verteilung des Laststromes auf alle Geräte in einem Verbund zu erreichen (Bild 1). Durch den Widerstand wird die Lastausregelung etwas reduziert und auch Verlustleistung erzeugt, was sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad auswirkt.

Entkopplung mit OR-ing-Dioden

Bild 1. Ein Ansatz für die Lastaufteilung ist der Einsatz von niederohmigen Serienwiderständen an jedem Ausgang der Stromversorgungen. Dies erzeugt jedoch Verluste an den Widerständen und beeinflusst den Gesamtwirkungsgrad. Vicor

Eine scheinbar einfache Lösung für das Problem einer direkten Zusammenschaltung der Ausgänge ist der Einsatz einer Diode zwischen den jeweiligen Ausgängen und deren gemeinsamen Lastpunkt. Diese Technik wird allgemein auch als „Dioden OR-ing” bezeichnet (Bild 2). Dies ist ein effizienter Weg, um zu verhindern, dass eine Versorgung Strom vom gemeinsamen Lastpunkt zieht. Allerdings eignet sich diese Methode normalerweise nicht dafür, die unterschiedliche Lastaufteilung zwischen Stromversorgungen mit jeweils eigenem internen Fehlerverstärker zu beheben.

Die Entkopplung mit Dioden wird normalerweise für Stromversorgungen erforderlich, die unabhängig arbeiten und in der Lage sind, sowohl Strom zu liefern als auch Strom zu ziehen (Zwei-Quadranten Modus). Werden derartige Stromversorgungen ohne Entkoppeldioden direkt miteinander verschaltet, sind die Auswirkungen weitaus drastischer als bei Stromversorgungen mit Ein-Quadranten Modus. Mit großer Wahrscheinlichkeit werden sofort eine oder mehrere Stromversorgungen direkt in den Überlastfall gehen.

Haben diese Dioden auch noch einen negativen Temperaturkoeffizienten für Ihre Flussspannung, führt dies zu einer Stromerhöhung im jeweiligen Verbund. Ein Weg, dies zu verhindern ist der Einsatz eines Gleichrichters mit positivem Temperaturkoeffizienten.

Unter gewissen Umständen wie etwa bei einem Kurzschluss eines FETs oder Kondensators am Ausgang einer Stromversorgung können diese Entkoppeldioden eine Erhöhung der Zuverlässigkeit bedeuten. Sie trennen diesen Kurzschluss sofort vom Ausgangsbus und erhöhen damit die Zuverlässigkeit und Robustheit des Systems.

Strategie für die Regelung

Für einen zuverlässigen und vorhersehbaren Betrieb bei einer Zusammenschaltung müssen Entwickler zunächst Stromversorgungen für einen Parallelbetrieb entwickeln. Um dabei einen entsprechenden Strom an die Last zu liefern, muss die Regelschleife für diesen Betrieb ausgelegt sein. Ein üblicher Ansatz hierfür ist die Gruppierung der Stromversorgung um einen gemeinsamen Signaleingang, der von einem einzigen Fehlerverstärker angesteuert wird, dessen Signal das System auf alle betroffenen Versorgungen verteilt.

Bild 2. Prinzipiell können die Ausgänge mehrerer DC-Stromversorgungen über Dioden verbunden werden, um damit die Ausgänge voneinander zu trennen. Diese Konfiguration kann jedoch Probleme beim Abgleich sowie bei der Lastaufteilung bringen. Vicor

Diese Strategie bietet eine gute Regelung der Ausgangsspannung und weniger Fehler bei der Lastverteilung. Jedoch bildet der Einsatz eines einzigen Fehlerverstärkers und eines einzelnen Kontrollbusses auch die Gefahr eines sogenannten Single Point of Failure (SPOF). Der Ausfall eines einzelnen Bauteiles kann also bereits ein Problem in Applikationen darstellen, die höchste Zuverlässigkeit verlangen. Zusätzlich kann es schwierig sein, parametrische Abweichungen in der Verstärkerstufe unter Kontrolle zu bekommen. In einem System mit einer einzigen Regelschleife werden Differenzen bei der Lastverteilung minimiert, wenn die Stromversorgungen möglichst enge Toleranzen an den Eingängen für die Regelung aufweisen. Kommt es zu großen Unterschieden bei der Stromaufteilung, müssen Entwickler Maßnahmen ergreifen, welche die Leistung der gesamten Gruppe reduzieren, um die Überlast einer einzelnen Stromversorgung durch ein Ungleichgewicht zu vermeiden. Sollte dies nicht zu einem Ergebnis führen müssen sie weitere Maßnahmen ergreifen.

Eine ungleiche Lastverteilung, welche durch kleine Unterschiede im Regelkreis der Geräte stammt, lässt sich durch einen Feinabgleich in der Produktion beheben, welcher die Unterschiede ausgleicht. Ein anderer Weg ist eine zusätzliche Stromregelung für jede Stromversorgung in der Gruppe. Um den Strom zu messen, ist typischerweise an jeder Stromversorgung ein Shunt notwendig.

Für isolierte DC-DC-Wandler, deren Regelung sich auf der Primärseite befindet, ergibt sich das weitere Problem, dass das System das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers über die Isolationsstrecke zwischen Primär- und Sekundärseite übertragen muss. Diese bedeutet oftmals zusätzliche Kosten, mehr Platzbedarf auf der Platine und kann die Zuverlässigkeit negativ beeinflussen.

Eine alternative Regelungstechnik, welche die Parallelschaltung verschiedener Stromversorgungen ermöglicht, nutzt eine Kennlinie, welche den vorher erwähnten Serienwiderstand im Ausgangskreis simuliert. Bei dieser als geneigte Kennlinie bezeichneten Technik für die Lastaufteilung hat jede Stromversorgung eine eigene Referenz und integrierte Regelung. Mit Zunahme des Ausgangsstromes sinkt die Referenzspannung aber linear um einen definierten Wert.

Die Parallelschaltung von Stromversorgungen mit dieser geneigten Kennlinie kann sich negativ auf die Ausregelung von Laständerungen oder Lastsprüngen auswirken. Eine externe Regelung über diese Gruppe von Stromversorgungen mit geneigter Kennlinie hinweg, kann eingesetzt werden, um die Auswirkungen der sinkenden Ausgangsspannung zu kompensieren. Die statische Regelabweichung ist dann identisch zu der eines traditionellen Fehlerverstärkers, da die externe Regelung als Fehlerintegrator die Abweichungen kompensiert.

Design einer Stromversorgung

Bild 3. Die Bauelemente im Chip-Gehäuse wurden für einen Parallelbetrieb durch einfaches Zusammenschalten der Ausgänge entwickelt. Keine Dioden, Widerstände oder andere Schaltungen für die Lastaufteilung werden benötigt. Vicor

Hersteller können eine Parallelschaltung von Stromversorgungen einfacher gestalten. Die DCM-DC-DC-Wandler von Vicor im Chip-Gehäuse (Converter housed in Package) haben beispielsweise schon eine eingebaute negative Lastkennlinie. Mit steigender Last reduziert die im DCM eingebaute Regelung die Ausgangsspannung geringfügig. Dies hat die gleichen Auswirkungen wie der oben erwähnte Serienwiderstand, arbeitet jedoch ohne einen Widerstand (Bild 3) und folgenden wichtigen Unterschieden: keine Verlustleistung in einem Widerstand sowie ein verbessertes dynamisches Verhalten durch den Wegfall von hochfrequenten parasitären Effekten. Bei einer schnellen Änderung der Spannung über dem Widerstand ändert sich daher auch dementsprechend der Strom.

Implementiert wurde die Lastkurve in den DCM-Wandlern durch eine diskrete Zeitmodulation des D/A-Wandlers, der die Referenz für den Fehlerverstärker erzeugt. Als Ergebnis reagiert der Widerstand, den die Last am DCM nachbildet, wie ein Widerstand mit einer parallel geschalteten großen Kapazität.

Diese Charakteristik am Ausgang erlaubt die direkte Parallelschaltung mehrerer DCMs, wobei bei jedem Wandler die eigene interne Regelung aktiv ist. Die Aufteilung des gesamten Laststromes zwischen den DCMs ist gleichmäßig, sodass sich parallel geschaltete DCMs wie ein einziges DCM verhalten, jedoch mit höherem Ausgangsstrom (Bild 4). Wird eine Stromversorgung mehr belastet als die anderen, steigt deren Temperatur gegenüber den anderen Versorgungen, was wiederum ein Absinken der Ausgangsspannung zur Folge hat. Die Ausgangsspannungen der anderen, parallel geschalteten DCMs sinken ebenfalls auf diese Spannung. Gemäß der Ausgangskennlinie werden diese DCMs den Ausgangstrom erhöhen und damit wieder eine gleichmäßige Aufteilung des Laststromes erzielen. Die gleichen Überlegungen gelten für Stromversorgungs-ICs für kleinere Lasten. So ermöglicht etwa der LT3083, ein 3 A Low-Dropout-Linearregler (LDO) von Linear Technology/Analog Devices, eine Parallelschaltung durch einen 10 Milliohm Widerstand zwischen jedem Ausgang und dem gemeinsamen Ausgangsbus.

Bild 4. Bei den DCM-Wandlern verhalten sich mehrere parallel geschaltete Geräte wie ein einziger Wandler. Wie aus der Kennlinie ersichtlich, funktioniert bei einer N+1 redundanten Zusammenschaltung für ein maximale Last, die Einheit auch beim Ausfall eines Wandlers noch einwandfrei. Vicor

(prm)