Redundantiemodules garanderen dat uw systeem blijft werken, zelfs als een elektronische voeding uitvalt. De ontkoppeldiodes in de module leiden echter tot hoge vermogensverliezen in de vorm van warmte en een grote spanningsval. Daarom vervangt PULS de diodes met de efficiëntere MOSFETs.
Betrouwbare beschikbaarheid van het systeem in geval van kortsluiting
In een redundant systeem zijn twee of meerdere voedingen parallel geschakeld en ontkoppeld via één of meerdere redundantiemodules. De module voorkomt kortsluiting van de busspanning, als er een kortsluiting voorkomt aan de uitgang van de voeding. Hiervoor wordt een diode of een gelijkwaardige component voor de ontkoppeling gebruikt. Eén is voldoende voor elke voeding. Het nadeel van deze methode? Diode-ontkoppeling zorgt voor significante vermogensverliezen in de vorm van warmte. Een belastingstroom van 40A creëert ongeveer 20W vermogensverlies (foto 1). Dit zorgt voor zware thermische stress op de elektronica, wat enkel door middel van een groot koellichaam op te lossen is.
De PULS engineers waren niet bereid om dit compromis te aanvaarden. Dus hebben ze een onderzoek gedaan om uit te zoeken wat gebruikers nu echt in een redundant systeem nodig hebben.
Voor een optimale redundantie kwamen hieruit tien criteria naar voren:
- Hoogste vorm van veiligheid en beschikbaarheid
- Minimale vermogensverliezen
- Gebruiksvriendelijkheid
- Immuniteit van terugkerende spanning aan de belastingzijde
- Kortsluitbescherming
- Parallelfunctie: vermogensdistributie tussen voedingen
- Een signaal in het geval een voeding uitvalt
- Ingang beschermd tegen omgekeerde polariteit
- Signaal in geval van een foutconditie
- Hot swapping: ruilen van twee units zonder spanningsonderbreking
Bij het analyseren van de resultaten was het al snel duidelijk dat standaard epitaxial of Schottky diodes niet voldoen aan de behoefte van minimale nullastverliezen. Daarom is er een ontkoppeloplossing met MOSFETs ontwikkeld (foto 2).
Deze technologie reduceert de vermogensverliezen. Bijvoorbeeld, bij het gebruik van een MOSFET module zal een belastingstroom van 40A slechts 3W vermogensverlies in de plaats van 20W opwekken. Punt 5 en 8 waren echter serieuze uitdagingen voor de ontwikkeling van de nieuwe MOSFET oplossing, omdat kortsluitingen of omgekeerde polariteit in de voeding de MOSFETs kan vernietigen.
Printplaatontwerp bedient MOSFET in geval van kortsluiting
Als er een kortsluiting aan de belasting of bekabeling is, valt de voedingsspanning uit en is er zo goed als geen bruikbare spanning aan de ingang van de redundantiemodule aanwezig. Wel moeten de MOSFETs in de redundantiemodule continu geactiveerd blijven om de kortsluitstroom te laten vloeien met lage vermogensverliezen. Anders absorberen de diodes in de andere componenten deze stroom. Dit verhoogt de vermogensverliezen tot factor 15 en kan de MOSFETs vernietigen. De oplossing voor dit zwakke punt van de componenten is een nieuw printplaatontwerp dat zelf in het geval van kortsluiting voordeel haalt uit de minimum restspanning om de MOSFETs te activeren (zie foto 3).
Een spanningsval van slechts 50mV
Met MOSFETs als een ontkoppelelement kan ook een spanningsval geminimaliseerd worden. Diodes in standaard redundantiemodules zorgen voor een spanningsval van 500 mV tussen ingang en uitgang. Dankzij de MOSFET redundantiemodules is dit drastisch verbeterd. Bijvoorbeeld, bij de YR80.241 redundantiemodule is de spanningsval tussen de ingang en uitgang bij 40 A uitgangsstroom lager dan 50 mV.
Gelijkmatige spanningsverdeling via de parallelfunctie
Na de implementatie van MOSFETs heeft de parallel gebruiksmodus een betere thermische balans. Dat zorgt voor een verlengde levensduur. In dit proces is de belastingstroom gelijkmatig tussen de individuele elektronische voedingen verdeelt.
Er zijn twee manieren om de parallelfunctie in het systeem te integreren: in de voedingen of in de redundantiemodules zelf.
- Bij de integratie van voedingen is de uitgangsspanning zo geregeld dat deze 4% hoger ligt bij nullast dan bij een nominale belasting. Dit zorgt voor een automatische stroomdistributie tussen de toestellen zolang de nullastspanning hetzelfde is. Als een voeding meer stroom nodig heeft, zal zijn spanning automatisch zakken en wordt de symmetrie hersteld. Deze eigenschap zorgt ervoor dat er geen belastingverliezen in de stroomdistributie zijn.
- Bij de integratie van de parallelfunctie in de redundantiemodules zijn de MOSFETs in lineaire mode gebruikt. Ze genereren een spanningsval in het kanaal met de hogere spanning. Zo is er een stroomsymmetrie tussen de twee kanalen (de voedingen). Deze methode zorgt ervoor dat elektronische voedingen zonder parallelmodus toch parallel gebruikt kunnen worden.
De PULS ontwikkelaars zijn intensief bezig beide benaderingen te optimaliseren. Het is van cruciaal belang in parallelmodus dat de veiligheid, beschikbaarheid en efficiëntie van het redundantiesysteem steeds ondersteund wordt. Dit zowel voor de klassieke 1+1 als de N+1 redundantiesystemen (Foto 4).
Hot swapping – vervanging zonder spanningsonderbreking
De redundantiemodule YR40.245 is met nog een extra technisch snufje uitgevoerd. Het is voor de eerste keer mogelijk om “hot swapping” bij deze modules te gebruiken. Met “hot swapping” bedoelen we het vervangen van een voeding of redundantiemodule terwijl het systeem nog loopt. Om dit mogelijk te maken hebben de producten plugconnecties met kortsluitbescherming. Als de vooraf bepaalde volgorde wordt waargenomen bij een defect apparaat, dan kan de voeding zonder spanningsonderbreking vervangen worden. Redundantie is onmiddellijk na de vervanging hersteld. Dit is onmisbaar bij systemen waar een tijdelijke storing al zou leiden tot aanzienlijke veiligheidsrisico’s en/of economische verliezen.
