Bei einer redundanten Schaltung von Standard-Netzgeräten, müssen herkömmlich am Ausgang zwei Dioden für eine Entkopplung sorgen, damit das eine Netzgerät nicht in den Ausgang des zweiten rückspeisen kann. Die Dioden-Entkopplung ist aber mit einem Makel behaftet aufgrund der erheblichen Verluste in den beiden Dioden. Bei 20 A Laststrom entstehen rund 10 W Verluste pro Diode; da helfen dann nur große Kühlkörper. Die Frage nach der optimalen Redundanz lässt sich in zehn Punkten festhalten:

Bild 1: Ein MOSFET-Redundanzmodul und Netzgeräte mit Parallel-Use-Funktion.

Bild 1: Ein MOSFET-Redundanzmodul und Netzgeräte mit Parallel-Use-Funktion.Puls

  • Sicherer Betrieb und Verfügbarkeit
  • Kleine Verluste
  • Einfache Handhabung
  • Rückspeisefestigkeit vom Verbraucher her
  • Kurzschlussfestigkeit
  • Stromaufteilung zwischen den Netzgeräten
  • Meldung bei Defekt eines Netzgeräts
  • Eingang verpolungssicher
  • Störmeldung
  • Hot-Swapping

Entkoppelung zweier Geräte

Epitaxial- oder Schottkydioden von üblichen Redundanzmodulen verursachen Spannungsfälle von 0,6 bis 0,8 V. Das führt bei hohen Lastströmen zu großen Verlusten im Schaltschrank. Dieser Wärmeanfall muss sich durch die Schaltschrank-Entwärmung auch noch abführen lassen.

Bei Puls hat man sich die Wunschliste der zehn Punkte genau angeschaut. Daraus ergab sich, dass nur eine völlig andere Technik, bei der MOSFETs die Aufgabe der üblichen Entkopplungsdioden übernehmen, die Verluste massiv reduzieren kann. Entstanden ist dabei eine Serie von MOSFET-Redundanzmodulen für Lastströme bis zu 80 A, welche die wichtige Maßgabe kleiner Verluste erfüllen.

Bild 2:  Vergleich der Verluste der Variante mit Entkopplungsdioden und der MOSFET-Technik.

Bild 2: Vergleich der Verluste der Variante mit Entkopplungsdioden und der MOSFET-Technik.Puls

Diese Redundanzmodule erfüllen auch die Vorgaben der anderen neun Punkte. Bild 2 zeigt die Verluste der herkömmlichen Variante mit Entkopplungsdioden und der MOSFET-Technik. Bei einem Laststrom von 40 A entstehen im MOSFET-Modul Verluste von 3 W. Damit ist ein kompaktes DIN-Schienen-Modul von nur 36 mm Breite möglich. Der Anwender schließt dabei die Ausgänge seiner beiden Netzgeräte auf der Eingangsseite des Redundanzmoduls an. Am Ausgang steht die sichere Stromversorgung zur Verfügung.

Kurzschluss – ein heikles Problem

Im ersten Moment scheint es, als ob die MOSFET-Technik eine ziemlich triviale Angelegenheit darstellt – das ist sie auch, wenn man nur den Normalbetrieb betrachtet. Dies gilt allerdings nicht im Falle eines Kurzschlusses oder gar einer Verpolung der Netzgeräte am Eingang des Redundanzmoduls. Im Falle eines Kurzschlusses an der Last bricht die Spannung der Netzgeräte zusammen und es steht fast keine nutzbare Spannung mehr am Eingang des Redundanzmoduls zur Verfügung. Wenn aber die MOSFETs im Redundanzmodul nicht angesteuert bleiben, um den Kurzschlussstrom verlustarm fließen zu lassen, übernehmen diesen Strom die sogenannten Body-Dioden in den MOSFETs.

Auf einen Blick

Redundante Stromversorgungen liefern einen wichtigen Beitrag beim Aufbau von zuverlässigen und ausfallsicheren Maschinen und Anlagen. Die Standard-Redundanzmodulen dafür umfassen neben klassischen 24-V-Modulen, Varianten von 20 bis 80 A mit Eingangsspannungen von 12 bis 60 V; Hot-Swapping ist ebenfalls möglich. Mit dem modularen Konzept lassen sich auch nicht-redundante Systeme in redundante Systeme aufrüsten, ohne dass sich dabei das Thermomanagement nennenswert verschlechtert.

Die Verluste steigen dabei auf das fünfzehnfache an und zerstören die MOSFETs. Puls entwickelte eine Schaltung, die auch mit einer minimalen Restspannung die MOSFETs korrekt ansteuert. Weitere kritische Situationen entstehen, wenn auf einen bestehenden Kurzschluss eine Zuschaltung der Netzgeräte erfolgt oder wenn die Eingangsspannung verpolt angelegt wird. Auch mit diesen Fällen weiß die entwickelte Schaltung umzugehen.

Kompaktes Team und gleichmässige Stromaufteilung

Bis vor kurzem benötigte ein einzelnes 40-A-Netzgerät mehr Platz auf der DIN-Schiene als nun ein komplettes redundantes System, bestehend aus zwei Dreiphasen-40-A-Stromversorgungen und einem YR80.241-Redundanzmodul. Eine totale Baubreite von 266 mm reicht hierfür aus. Für Einphasen-Applikationen stehen zudem auch Einphasen-Netzgeräte zur Verfügung. Es bleibt hier zu beachten, dass man die beiden Netzgeräte an zwei verschieden Phasen anschließt.

Wenn schon eine oder mehrere Stromversorgungen parallel arbeiten, ist es für ein besseres Wärmegleichgewicht und damit eine längere Lebensdauer vorteilhaft, wenn sich der Laststrom gleichmässig auf die einzelnen Netzgeräte aufteilt. Viele der Puls-Netzgeräte verfügen über den dafür wählbaren Parallel-Use-Modus. In diesem Modus ist die Ausgangsspannung so geregelt, dass diese im Leerlauf etwa vier Prozent höher liegt als bei Nennlast. Damit ergibt sich eine automatische Stromaufteilung zwischen den Geräten, sofern die Leerlaufspannung der Netzgeräte gleich groß ist. Übernimmt ein Netzgerät mehr Strom, sinkt automatisch dessen Spannung und es stellt sich wieder eine Stromsymmetrie ein. Mit dieser Eigenschaft ist die Stromaufteilung verlustfrei und verletzt daher auch nicht den Redundanzgedanken.

Bild 3: Die MOSFET-Redundanzmodulen von 20 A bis 80 A mit Eingangsspannungen von 12 bis 60 V, Modul mit Hot-Swapping-Technik.

Bild 3: Die MOSFET-Redundanzmodulen von 20 A bis 80 A mit Eingangsspannungen von 12 bis 60 V, Modul mit Hot-Swapping-Technik.Puls

Zurzeit findet man am Markt auch Redundanzmodule mit Varianten, welche die Stromaufteilungsfunktion im Redundanzmodul integriert haben. Hierzu arbeiten MOSFETs im Linearbetrieb; sie verheizen in einem Kanal so viel Spannung, dass sich eine Stromsymmetrie zwischen den zwei Eingängen einstellt. Dazu verlangt es nach einer höhere Komplexität. Der Ansatz, die Parallelfunktion im Netzgerät zu integrieren, ist hier von Vorteil. Die Verluste und Wärmeentwicklung sind geringer und die Lebenserwartung steigt. Der Redundanzgedanke – hohe Sicherheit und Verfügbarkeit – wird mit dem Parallel-Use-Mode unterstützt und es sind damit neben den klassischen 1+1-Redundanzsystemen auch N+1-Systeme realisierbar.

Hot-Swapping

Ein besonderes Redundanzmodul ist das YR40.245. Damit ist Hot-Swapping möglich. Unter dem Begriff versteht man das Austauschen einer Stromversorgung oder eines Redundanzmoduls in einem laufenden System. Hierzu sind die kritischen Verbindungen mit kurzschlusssicheren Steckverbindern ausgestattet. Wenn der Betreiber beim Austauschen die vorgegebene Reihenfolge einhält, kann er die defekten Module ohne Spannungsunterbruch auswechseln. Nach dem Austausch ist die Redundanz wieder hergestellt. Dies ist für hochverfügbare Anlagen unabdingbar.

Der Text beruht auf Unterlagen von Puls.