Mosfet-Redundanzmodul mit nur 50mV Spannungsabfall
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Application Note AN44.01.de YR80.241 Mosfet-Redundanzmodul mit nur 50mV Spannungsabfall Autor: Michael Raspotnig Das Versagen des DC-24V-Versorgungsnetzes kann oftmals erhebliche Sicherheitsrisiken oder gravierende wirtschaftliche Verluste bedeuten. Eine zuverlässige und lückenlose Versorgung aller 24VVerbraucher wird immer wichtiger, zumal Systeme stetig intelligenter und Prozesse immer ausgereifter und effizienter werden. Dies gilt nicht nur für industrielle Anlagen, sondern auch für viele andere Bereiche. In der Telekom, Prozessindustrie oder Kraftwerkstechnik sind redundante Stromversorgungssysteme mittlerweile Standard. In Bereichen wie der Verkehrsleittechnik, Tunnelüberwachung oder Zugangskontrolle sind diese stark im Kommen. PULS hat hierfür zwei neue Redundanzmodule entwickelt. Zusammen mit 24V-Standard-Stromversorgungen können damit leistungsstarke redundante Systeme aufgebaut werden. Dank verlustleistungsarmer Mosfet Technologie benötigt man nun erstmals für ein 40A System nur ein Redundanzmodul und nicht mehr zwei getrennte Module für jede Stromversorgung. Technik Marketing 24V 40A Redundanz bedeutet im einfachsten Fall, dass zwei Netzgeräte parallel geschaltet werden, von denen jedes Einzelne in der Lage ist, die Verbraucher in allen Betriebszuständen sicher zu versorgen. Dieser Fall wird 1+1 Redundanz genannt. Bei höheren Leistungen kommen N+1 redundante Systeme zur Anwendung. Seite 1 / 4 24V 40A Hier werden z.B. bei einem Laststrom von 120A vier Geräte mit je 40A redundant betrieben. Fällt ein Gerät aus, können die restlichen drei Geräte immer noch die Anlage sicher versorgen. www.pulspower.com 60mV Redundanzmodul 10W 40mV 5W MosfetRedundanzmodul 20mV 0 0mV 0 10 20 30 40 50 0 60 70 80A Ausgangsstrom 5 15 10 20 25 30 35 40A Ausgangsstrom len von PULS wurden diese klassischen Dioden erstmals durch Mosfets ersetzt. Auf den ersten Blick hört sich das nicht besonders spannend an, da solche „Synchrongleichrichter“ bei Ausgangsstufen von Netzgeräten gängige Praxis sind. Bei externen Redundanzmodulen gibt es jedoch zusätzliche Betriebsfälle wie Kurzschluss oder Verpolung zu beachten, die nicht ganz trivial zu lösen sind. Im Falle eines Kurzschlusses an der Last oder Verkabelung bricht die Spannung der Netzgeräte zusammen und es steht fast keine nutzbare Spannung mehr am Redundanzmodul zur Verfügung. Die Mosfets im Redundanzmodul müssen jedoch angesteuert bleiben um den Kurzschlussstrom verlustarm fließen lassen zu können. Bei einem Ausfall der Ansteuerung der Mosfets würde der gesamte 40A Last QT40.241 YR80.241 QT40.241 40A Netzgerät Redundanzmodul 40A Netzgerät L1 L2 L3 PE I I + + - - DCOK Eingang Eingang 1 2 + - + - I L1 L2 L3 PE I I + + I DCOK - - Fehlermeldung L1 L2 L3 PE 1+1 Redundantes System für 40A Prinzipiell sind redundante Stromversorgungssysteme parallel geschaltete Netzgeräte. Da Standard-Netzgeräte am Ausgang üblicherweise nicht über Entkoppeldioden verfügen, müssen diese Geräte mit Redundanzmodulen verschaltet werden. Damit bleibt das System auch dann noch redundant, wenn am Ausgang eines Netzgerätes ein Kurzschluss oder Defekt auftritt. Redundante Systeme benötigen eine Überwachung der Funktion jedes einzelnen Netzgerätes um im Fehlerfall einen Serviceeinsatz auslösen zu können. Hierzu kann z.B. das DC-OK-Signal der Netzgeräte verwendet werden. Verluste Spannungsabfall 20W 100mV 15W 80mV 60mV 10W 40mV 5W Redu 20mV 0 0mV 0 10 20 30 40 50 0 60 70 80A Ausgangsstrom 5 10 15 YR80.241: Typischer Spannungsabfall zwischen Ein- und Ausgang Verluste Spannungsabfall 40A Last 20W 100mV„Entkoppeldiode“ mit nur 80mV50mV Spannungsabfall 15W Epitaxial- oder Schottkydioden von 60mVüblichen Redundanzmodulen verursachen Spannungsabfälle zwischen dem 40mV Ein- und Ausgang von 500 bis 800mV. 20mVAbhängig vom Laststrom können die dabei entstehenden Verluste recht 0mV hoch werden und zu Wärmeproblemen 0 10 20 30 40 50 60 70 80A führen. Bei den neuen YR40.241 (40A) Ausgangsstrom und YR80.241 (80A) Redundanzmodu- DiodenRedundanzmodulQT40.241 10W 40A Netzgerät 5W MosfetRedundanzmodul L1 L2 L3 PE + + 0 0 5 10 15 20 25 - - DCOK YR80.241 QT40.241 Redundanzmodul 40A Netzgerät Eingang Eingang 1 2 + - + - L1 L2 L3 PE 30 35 40A Ausgangsstrom YR80.241: Verlustleistung von Dioden- und Mosfet Redundanzmodulen I Mai 2010 Rev. 1 Bestellnummer: AN44.01.de D Redundanz 40A Last Seite 2 / 4 L1 L2 L3 PE I I I www.pulspower.com I I + + - Strom sonst über die „Body-Dioden“ der Mosfets fließen und etwa die 15-fachen Verluste an den Mosfets verursachen. Um dies zu vermeiden, wird mit einer zum Patent angemeldeten Schaltung aus der minimalen Restspannung eine ausreichende Versorgungsspannung für die Mosfets erzeugt. Ganz kritisch ist es, wenn auf einen bestehenden Kurzschluss die Netzgeräte zugeschaltet werden oder wenn die Eingangsspannung verpolt angelegt wird. Auch für solche Fälle ist die neue Schaltung gerüstet. Die Vorteile des Mosfets Redundanzmoduls liegen klar auf der Hand. Der niedrige On-Widerstand der Mosfets verursacht einen deutlich geringeren Spannungsabfall als beim Einsatz von Dioden. Bei 40A Ausgangsstrom stehen beim YR80.241 nur 50mV zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen an. Bei einem klassischen Diodenmodul entstehen hier mindestens 500mV. Dementsprechend sind die Verluste in diesem Bauelement 10x höher und müssen mittels großen Kühlkörpern abgeführt werden. Bei 40A Ausgangsstrom entstehen im YR80.241 Redundanzmodul nur 2,7W Verluste. Mai 2010 Rev. 1 Bestellnummer: AN44.01.de 80A Mosfet Redundanzmodul ohne Kühlkörper Das Redundanzmodul YR80.241 besitzt zwei 40A- Eingänge und einen 80AAusgang und darf kurzzeitig bis 160% überlastet werden. Damit können 1+1 oder N+1 redundante Systeme mit Netzgeräten bis zu 40A aufgebaut werden. Dank der geringen Verluste kommt es intern ganz ohne Kühlkörper aus und benötigt eine Baubreite von nur 46mm. Das Modul ist kurzschlussfest, gegen Verpolung geschützt und darf ohne Leistungsrücknahme zwischen -40°C und +70°C betrieben werden. Sogar rückspeisende Lasten wie bremsende Motoren sind bis zu einer maximalen Spannung von 40Vdc erlaubt. Für einen problemlosen globalen Einsatz ist ein umfangreiches internationales Zulassungspaket geplant, welches neben Sicherheitszulassungen auch eine ATEX Zertifizierung beinhaltet. Für kleinere Leistungen ist das YR40.241 Redundanzmodul mit maximal 40A Ausgangsstrom und einer Breite von nur 36mm verfügbar. 110mm Ein starkes Team: QT40.241 und YR80.241 Bis vor kurzem benötigte ein einzelnes 40A-Netzgerät mehr Platz auf der DIN-Schiene als nun ein komplettes redundantes System bestehend aus zwei 3-Phasen 40A Stromversorgungen (QT40.241) und einem YR80.241 Redundanzmodul. 266mm Baubreite reichen hierfür aus. Bei 1-Phasen-Systemen können QS40.241 Netzgeräte verwendet werden. Die Gesamtbreite erhöht sich dabei auf 296mm. Besonders vorteilhaft ist der hohe Teillastwirkungsgrad und der „Parallel Use“ Modus dieser neuen 40A Netzgeräten. Dieser Modus sorgt für eine gleichmäßige Stromaufteilung des Laststroms auf die einzelnen Netzgeräte, was der Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Gesamtsystems zugute kommt. Eingebaute Eingangssicherungen, aktive PFC, weiter Temperaturbereich, gutmütiges Überlastverhalten (60A für 4s) sind nur einige der vielen innovativen Neuerungen dieser Netzgeräte. Das integrierte DC-OK-Signal überwacht die Funktion 46mm 266mm 110mm Erstmals ist es möglich mit nur einem Redundanzmodul ein 40A-redundantes System aufzubauen. Seite 3 / 4 www.pulspower.com Tipps für einen sicheren Redundanzbetrieb: Getrennte Eingangssicherungen verwenden. Besser: getrennte Versorgungssysteme oder unterschiedliche Phasen verwenden. 3-Phasen Geräte bringen zusätzlich Sicherheit bei Ausfall einer Phase. Immer Redundanzmodule oder Entkopplungsdioden verwenden. Alle Stromversorgungen müssen einzeln überwacht und Fehler automatisch gemeldet werden. Hierzu eignen sich die DC-OK Signale der Netzgeräte. Alle Ausgangsspannungen möglichst gleich einstellen oder Gerät auf Parallelbetrieb stellen, falls diese Option vorhanden ist. und meldet die Notwendigkeit eines Serviceeinsatzes. Der Aufbau von 20A redundanten Systemen ist ähnlich einfach mit dem YR40.241 Redundanzmodul und 20A Netzgeräten zu realisieren. Neben diesen beiden Hochstrom-Redundanzmodulen bietet PULS weitere Module für kleine und mittlere Leistungen auf Diodenbasis an. Diese Module gibt es mit oder ohne eingebauter Überwachungsfunktion. Die Überwachung erkennt eine Unterschreitung eines fest eingestellten Schwellwertes und öffnet einen Meldekontakt. Damit ist eine Fehlerfrüherkennung und die Einleitung von Maßnahmen möglich, wenn die Stromversorgung selbst nicht über ein DC-OK Signal verfügt. Dank des großen PULS Produktspektrums an Stromversorgungen und Redundanzmodulen lässt sich nun mittels kostengünstigen, zuverlässigen und vielfach erprobten Standardgeräten nahezu für jede Situation eine redundante Versorgung aufbauen. Auf aufwendige Sonderlösungen kann in den meisten Fällen verzichtet werden. YR2.DIODE für 20A Ausgangsstrom Mai 2010 Rev. 1 Bestellnummer: AN44.01.de YRM2.DIODE für 20A Ausgangsstrom mit Überwachungsfunktion Seite 4 / 4 YR40.241 für 40A Ausgangsstrom YR80.241 für 80A Ausgangsstrom www.pulspower.com
