Sichere und effiziente Redundanz von DC-Versorgungen

Redundanzmodule mit moderner Mosfet-Technologie
Ein Versagen der 24-V-Speisung kann verheerende Auswirkungen haben. Deshalb ist bei der Zugangskontrolle und bei anderen sicherheitsrelevanten Anwendungen Redundanz gefordert. Dies bedeutet, dass zwei Netzteile, von denen jedes die gesamte Anlage alleine versorgen kann, parallel geschaltet werden. Puls hat viele Lösungen im Standardprogramm, die nicht nur sicher, sondern auch sehr effizient arbeiten - was keine Selbstverständlichkeit ist.

Werden Standard-Netzgeräte redundant geschaltet, 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 20A Laststrom entstehen rund 10W Verlust pro Diode; da helfen dann nur große Kühlkörper. Die Frage nach der optimalen Redundanz lässt sich in zehn Punkten festhalten:

1. Sicherer Betrieb und Verfügbarkeit

2. Kleine Verluste

3. Einfache Handhabung

4. Rückspeisefestigkeit vom Verbraucher her

5. Kurzschlussfestigkeit

6. Stromaufteilung zwischen

den Netzgeräten

7. Meldung bei Defekt eines Netzgeräts

8. Eingang verpolungssicher

9. Störmeldung

10. Hot-Swapping

Entkopplung zweier Geräte

Epitaxial- oder Schottkydioden von üblichen Redundanzmodulen verursachen Spannungsfälle von 0,6 bis 0,8V. Das führt bei hohen Lastströmen zu großen Verlusten im Schaltschrank. Dieser Wärmeanfall muss durch die Schaltschrankentwärmung auch noch abgeführt werden. Bei Puls hat man sich die Wunschliste der zehn Punkte genau angeschaut. Dabei ist klar geworden, dass nur eine völlig neue 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 80A, welche die wichtige Maßgabe kleiner Verluste optimal erfüllen. Selbstverständlich erfüllen diese Redundanzmodule die anderen neun Punkte ebenfalls ein. Bild 2 zeigt die Verluste der herkömmlichen Lösung mit Entkopplungsdioden und der Mosfet-Technik. Bei einem Laststrom von 40A entstehen im Mosfet-Modul Verluste von 3W. Damit ist ein kompaktes DIN-Schienen-Modul von nur 36mm Breite möglich. Der Anwender schließt dabei die Ausgänge seiner beiden Netzgeräte auf der einen Seite des Redundanzmoduls an. Auf der anderen Seite steht die sichere Stromversorgung zur Verfügung.

Kurzschluss, heikles Problem

Leser mit Elektronik-Kenntnissen könnten im ersten Moment denken, dass die Mosfet-Technik ziemlich trivial ist – 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. Die Verluste steigen dabei auf das 15-fache an und zerstören die Mosfets. Eine neue Schaltung, die auch mit einer minimalen Restspannung die Mosfets korrekt ansteuert, wurde für diesen Fall entwickelt. Weitere kritische Situationen entstehen auch, wenn auf einen bestehenden Kurzschluss die Netzgeräte zugeschaltet werden oder wenn die Eingangsspannung verpolt angelegt wird. Auch mit diesen Fällen weiß die neue Schaltung umzugehen.

Kompaktes Team

Bis vor Kurzem benötigte ein einzelnes 40-A-Netzgerät mehr Platz auf der DIN-Schiene als nun ein komplettes redundantes System, bestehend aus zwei 3-Phasen 40-A-Stromversorgungen und einem YR80.241 Redundanzmodul. Eine totale Baubreite von 266mm reicht hierfür aus. Für 1-Phasen-Applikationen stehen zudem auch 1-Phasen-Netzgeräte zur Verfügung. Es bleibt hier zu beachten, dass die beiden Netzgeräte an zwei verschiedene Phasen angeschlossen werden.

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