DC/DC-Wandler Stromfluss innerhalb eines Arrays auf verschiedene Wandler verteilen

Autor / Redakteur: John Kovacs* / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Zum Erhöhen der Ausgangsleistung sowie für den Aufbau fehlertoleranter Systeme werden oft mehrere Netzgeräte oder Spannungswandler parallel geschaltet. Der Strom in solchen parallelen Arrays sollte gleichmäßig auf alle beteiligten Wandler verteilt werden.

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Bild 1: Die Lösung mit geneigter Kennlinie erhöht künstlich den Ausgangswiderstand eines Wandlers, um die Ströme gleichmäßig zu verteilen
Bild 1: Die Lösung mit geneigter Kennlinie erhöht künstlich den Ausgangswiderstand eines Wandlers, um die Ströme gleichmäßig zu verteilen
( Archiv: Vogel Business Media )

Eine Lastaufteilung ist zur Leistungssteigerung sowie bei n+1-redundanten Systemen erforderlich. Bei einer 2-n-Redundanz hingegen kann zwar grundsätzlich darauf verzichtet werden, jedoch lässt sich damit die Funktion des Gesamtsystems verbessern. Darüber hinaus verbessert Current Sharing die Reaktion auf Lastschwankungen, verringert thermische Probleme und erhöht damit die Zuverlässigkeit.

Die meisten der in einem solchen Array parallel geschalteten Leistungskomponenten wie Transistoren, Gleichrichter, Wandler oder Netzgeräte können die Last nicht von sich aus verteilen. Ohne entsprechende Schaltungen zur Lastaufteilung besteht deshalb die Gefahr, dass ein oder mehrere Wandler mehr Strom liefern müssen als andere und überlastet werden.

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Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Stromfluss innerhalb eines Arrays sinnvoll auf die verschiedenen Wandler zu verteilen:

  • Messen und Regeln der Ausgangsströme der einzelnen Wandler,
  • eine geneigte Kennlinie, welche die Ausgangsspannung des Wandlers bei steigender Last sinken lässt (droop-share-Methode),
  • Driver/Boster-Arrays,
  • die aktive analoge Lastaufteilung (active current sharing).

Bei Driver/Booster-Arrays wird immer ein intelligentes Modul (Driver) mit einem oder mehreren ungeregelten Modulen (Booster) kombiniert. Die aktive Lastaufteilung besteht aus mehreren identischen Modulen, jedes mit eigener interner Regelung, und einer externen Regelschaltung.

Aufwändiges Messen und Nachregeln

Bei einer der gängigsten Methoden der Lastaufteilung werden die Ausgangsströme aller Netzgeräte im Array gemessen und mit dem Gesamtstrom verglichen. Der Ausgang jedes einzelnen Wandlers wird dann so eingestellt, dass sein Ausgangsstrom dem durchschnittlichen Strom aller Wandler entspricht. Bei dieser Methode benötigt man Messwiderstände und Messverstärker in den Ausgangskreisen der Wandler sowie einen Summierverstärker. Zum Regeln wird die Ausgangsspannung der einzelnen Wandler über deren Trim-Pins geändert. Leider ist diese Methode recht aufwändig, langsam und nicht sehr zuverlässig.

Geneigte Kennlinie

Größere Leistungen können meist über die Parallelschaltung mehrerer Module erreicht werden. Die Lösung mit geneigter Kennlinie (Bild 1) erhöht künstlich den Ausgangswiderstand eines Wandlers, um die Ströme gleichmäßig zu verteilen. In die Regelschleife wird ein Signal eingespeist, das die Ausgangsspannung mit steigender Last sinken lässt. Alle Module liefern annähernd den gleichen Strom, der in einem gemeinsamen Punkt zusammenfließt. Liefert ein Modul mehr Strom, sinkt dessen Spannung gegenüber der Spannung am gemeinsamen Knotenpunkt und der Ausgangsstrom dieses Moduls geht dadurch automatisch wieder zurück. Dies bedeutet, dass alle Module ungefähr mit gleicher Spannung und gleichem Strom arbeiten. Das Bild zeigt eine einfache Implementierung dieser Schaltung. Der Spannungsabfall über die Entkoppeldioden ist proportional zum Strom und wird zur Nachregelung der Wandlerausgangsspannung verwendet.

Driver/Booster Arrays

Die meisten Wandler können durch den Aufbau eines Driver/Booster-Arrays parallel geschaltet werden (Bild 2). Die Arrays sind in der Regel mit einem intelligenten Modul (Treiber) sowie einem oder mehreren Modulen ohne interne Regelung (Booster) bestückt. Die Treiber regeln die Ausgangsspannung, während die Booster Module nur die zusätzlich benötigte Leistung liefern.

Analoge aktive Lastaufteilung

Diese Lösung verwendet zwei oder mehr parallel geschaltete identische Module, jedes mit eigener interner Regelung. Damit alle Module denselben Strom liefern, wird jedes Modul über eine externe aktive Schaltung nachgeregelt, was jedoch einige Nachteile mit sich bringt. Jeder Wandler benötigt eine eigene zusätzliche externe Spannungsregelung sowie separate Bauteile zur Stromerfassung.

Stromaufteilung für Fehlertoleranz

Die Lastaufteilung ist wichtig zum Aufbau fehlertoleranter Systeme. Unabhängig vom jeweiligen Lösungsansatz erhöhen sich die Kosten allein schon aufgrund der Notwendigkeit mindestens eines zusätzlichen Wandlers.

Der Ausfall eines Netzgerätes kann ein komplettes System zum Erliegen bringen. Ein zusätzlicher redundanter Wandler oder ein weiteres Netzgerät gewährleisten, dass im Fehlerfall das System weiterarbeitet. Der Einbau eines einzelnen weiteren Moduls (n+1-Redundanz) kann die Zuverlässigkeit mit geringen Kosten erheblich steigern. Verwendet man Wandler mit einer Topologie, die bei Nullstrom und Nullspannung schaltet, kann eine synchrone Stromteilung wie in Bild 3 erzielt werden.

Jedes Modul hat dabei die Möglichkeit in die Steuerung einzugreifen, so dass sich ein demokratisches Array ergibt. Das steuernde Modul sendet einen Impuls auf den Parallelbus. Die Wandlermodule verwenden diesen Impuls zur Steuerung der Lastaufteilung bei Parallelschaltung und damit zum Aufbau eines fehlertoleranten Systems. Das Pulssignal auf dem Bus synchronisiert die internen hochfrequenten Leistungskreise der verschiedenen Wandler. Dieser Parallelpin dient dabei als bidirektionaler Port, um Informationen zur Synchronisierung zwischen allen Modulen auszutauschen. Beim Ausfall des steuernden Moduls übernimmt sofort ein anderes Modul die Synchronisierung aller Module ohne Störungen auf dem ausgangsseitigen Leistungsbus.

John Kovacs ist Field Applications Engineer bei Vicor Corporation

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