Aspekte der Lastverteilung beim Parallelbetrieb mehrerer Stromversorgungen Lastenausgleich

Stromversorgungen mit hohen Ausgangsströmen werden häufig aus mehreren parallelgeschalteten Netzteilen konfiguriert. Geforderte Ausfallsicherheit durch Redundanz kann ebenso ein Beweggrund hierfür sein wie das Bestreben, die Gesamtlast aus Kostengründen auf mehrere Einzelkomponenten zu verteilen. Voraussetzung für einen einwandfreien Parallelbetrieb ist ein Konzept zur Lastverteilung, das für eine gleichmäßige Aufteilung der Last auf die beteiligten Netzteile sorgt und dadurch die Belastung der einzelnen Netzteile verringert.

Aspekte der Lastverteilung beim Parallelbetrieb mehrerer Stromversorgungen

Stromversorgungen mit hohen Ausgangsströmen werden häufig aus mehreren parallelgeschalteten Netzteilen konfiguriert. Geforderte Ausfallsicherheit durch Redundanz kann ebenso ein Beweggrund hierfür sein wie das Bestreben, die Gesamtlast aus Kostengründen auf mehrere Einzelkomponenten zu verteilen. Voraussetzung für einen einwandfreien Parallelbetrieb ist ein Konzept zur Lastverteilung, das für eine gleichmäßige Aufteilung der Last auf die beteiligten Netzteile sorgt und dadurch die Belastung der einzelnen Netzteile verringert.

Bei Stromversorgungen mit großer Ausgangsleistung bietet die Aufteilung der Last auf zwei oder mehr parallelgeschaltete Netzteile zahlreiche Vorteile. Illustrieren lässt sich dies an einer Anwendung, in der eine Eingangsspannung von ca. 24 V in eine Ausgangsspannung von 12 V umzuwandeln ist. Der Laststrom im statischen Zustand soll 10 A betragen. Solange keine galvanische Isolation erforderlich ist, eignet sich die typische Abwärtswandler-Topologie am besten. Ein Abwärtswandler, der 24 V in 12 V umwandelt, wird mit einem Tastverhältnis von ungefähr 50 % arbeiten. Bei diesem Schaltregler befindet sich das Schaltelement auf der Primärseite des Wandlers, während das LC-Filter sekundärseitig angeordnet ist. Die Folge ist, dass bei eingeschaltetem Schaltelement ein hoher Strom aufgenommen wird, während der Eingangsstrom bei abgeschaltetem Schaltelement auf Null zurückgeht. Für das eben angeführte Beispiel heißt das: Die Hälfte der Zeit fließt ein Durchschnittsstrom von 10 A, während in der anderen Hälfte kein Strom aufgenommen wird – sofern man die unvermeidlichen Umwandlungsverluste außer Acht lässt. Diese extremen Schwankungen der Leistungsaufnahme im statischen Betrieb bringen zahlreiche Probleme mit sich. Die Eingangskondensatoren werden mit starken Wechselströmen konfrontiert, die Stromquelle wird ungleichmäßig belastet, es kommt mit hoher Wahrscheinlichkeit zu starken elektromagnetischen Interferenzen (EMI) und die Eingangsspannung wird sehr stark schwanken, solange keine wirksamen, auf die Stromquelle abgestimmten Filtermaßnahmen getroffen werden.

Beheben lassen sich Probleme dieser Art beispielsweise durch den Einsatz mehrerer Abwärtswandler, die phasenversetzt parallel betrieben werden. Im Idealfall – mit zwei um 180° phasenversetzten Kanälen und einem Tastverhältnis von 50 % je Kanal – bleibt der Eingangsstrom und damit die Leistungsaufnahme stets konstant. Auf einen Eingangskondensator könnte dann zumindest theoretisch verzichtet werden. In Wirklichkeit liegen die Dinge natürlich etwas anders, denn sobald beide Kanäle nicht exakt mit 50 % Tastverhältnis arbeiten, gibt es kurze Momente, in denen entweder beide Kanäle ein- oder beide Kanäle ausgeschaltet sind. Die Leistungsaufnahme aus der Stromquelle wird hierdurch entweder erhöht oder komplett unterbrochen. Deshalb geht es auch hier nicht ohne eine gewisse eingangsseitige Filterung, auch wenn sich der Filteraufwand in den meisten Fällen minimieren lässt. Besonders hohe Kosten verursacht die eingangsseitige Filterung bei hohen Eingangsspannungen.

Bild 1 gibt die eingangsseitige Stromwelligkeit wieder, wenn das Tastverhältnis von Kanal 1 (TV1) variabel ist, während es auf Kanal 2 (TV2) stets exakt 50 % beträgt. Die Grafik lässt sich auf alle phasenversetzt betriebenen Wandler anwenden. Bei gleicher Stromaufteilung ist der Quotient aus IA1 und IA2 genau 1. In diesem Fall verhält sich der Eingangsstrom exakt wie der in der Grafik mit dem grünen Pfeil angedeutete Bereich. Dieses auf zwei Phasen bezogene Beispiel lässt sich auf mehrere Phasen ausweiten. Abhängig von der gewünschten Ausgangsleistung und anderen Anforderungen kann ein 3- oder 4-phasiges System von Vorteil sein.