Redundanzmodule MOSFETs statt Dioden

Um kritische Anlagen sicher zu versorgen, müssen Stromversorgungen redundant ausgelegt sein. Das geschieht mit Redundanzmodulen. Klassische Redundanzmodule mit Entkoppeldioden haben jedoch Verluste von um die 20 W. Mithilfe von MOSFETs anstelle von Dioden ließen sich diese Verluste auf etwa 2,7 W senken.

Versagt ein DC-24-V-Versorgungsnetz, kann das oftmals erhebliche Sicherheitsrisiken oder gravierende wirtschaftliche Verluste bedeuten.

Eine zuverlässige und lückenlose Versorgung aller 24-V-Verbraucher 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 Telekommunikation, Prozessindustrie oder Kraftwerkstechnik sind redundante Stromversorgungssysteme mittlerweile Standard. In Bereichen wie der Verkehrsleittechnik, Tunnelüberwachung oder Zugangskontrolle sind diese stark im Kommen.

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. Hier werden beispielsweise bei einem Laststrom von 120 A vier Geräte mit je 40 A redundant betrieben. Fällt ein Gerät aus, können die restlichen drei Geräte immer noch die Anlage sicher versorgen.

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 eignet sich zum Beispiel das DC-OK-Signal der Netzgeräte.

Nur 50 mV Spannungsabfall

Epitaxial- oder Schottkydioden von üblichen Redundanzmodulen verursachen Spannungsabfälle zwischen dem Ein- und Ausgang von 500 mV bis 800 mV. Abhängig vom Laststrom können dabei recht hohe Verluste entstehen und zu Wärmeproblemen führen (Bild 1).

Bei den neuen Redundanzmodulen »YR40.241« (40 A) und »YR80.241« (80 A) hat die Firma Puls diese klassischen Dioden 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 Halbleiterschalter im Redundanzmodul müssen jedoch angesteuert bleiben, um den Kurzschlussstrom verlustarm fließen lassen zu können. Bei einem Ausfall der Ansteuerung der MOSFETs würde der gesamte Strom sonst über deren Body-Dioden fließen und etwa die 15-fachen Verluste an den Bauteilen verursachen. Um dies zu vermeiden, erzeugt das Modul intern aus der minimalen Restspannung eine ausreichende Versorgungsspannung für die MOSFETs.

Besonders 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 Redundanzmoduls mit MOSFETs liegen damit auf der Hand: Der niedrige On-Widerstand der Bauteile verursacht einen deutlich geringeren Spannungsabfall als beim Einsatz von Dioden. Bei 40 A Ausgangsstrom steht beim YR80.241 eine Spannungsdifferenz zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen von nur 50 mV an.

Bei einem klassischen Diodenmodul entstehen hier mindestens 500 mV. Dementsprechend sind die Verluste in diesem Bauelement zehn Mal höher und müssen über große Kühlkörper abgeführt werden. Bei 40 A Ausgangsstrom entstehen im YR80.241 nur 2,7 W Verluste (Bild 1).

80-A-Redundanzmodul ohne Kühlkörper

Das Redundanzmodul YR80.241 besitzt zwei 40-A-Eingänge und einen 80-A-Ausgang und darf kurzzeitig bis 160% überlastet werden. Damit können 1+1- oder N+1-redundante Systeme mit Netzgeräten bis zu 40 A aufgebaut werden. Dank der geringen Verluste kommt es intern ganz ohne Kühlkörper aus und benötigt eine Baubreite von nur 46 mm. Das Modul ist kurzschlussfest, gegen Verpolung geschützt und darf ohne Leistungsrücknahme (Derating) zwischen -40 °C und +70 °C betrieben werden.

Sogar rückspeisende Lasten wie bremsende Motoren sind bis zu einer maximalen Spannung von 40 V erlaubt. Für einen pro-blemlosen globalen Einsatz ist ein umfangreiches internationales Zulassungspaket geplant, das neben Sicherheitszulassungen auch eine ATEX-Zertifizierung beinhaltet. Für kleinere Leistungen ist das Re-dun-danzmodul YR40.241 mit maximal 40 A Ausgangsstrom und einer Breite von 36 mm verfügbar.

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.