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Das Hiccup-Verhalten wiederentdeckt

Einstufiger Resonanzwandler verbessert die Performance bei Schaltnetzgeräten
Das Hiccup-Verhalten wiederentdeckt

Bisher konnten nur zweistufige Resonanzwandler die Anforderungen an Stromversorgungen für den harten Industrieeinsatz erfüllen. Mit der Neuentwicklung der CPS20-Serie hat PULS nun ein Konzept realisiert, das mit einer Stufe auskommt. Die Geräte zeichnen sich durch gute Fuse-Breaking-Fähigkeiten mittels HiccupPlus aus. Die einphasigen Geräte liefern 480 W und sind mit verschiedenen Ausgangsspannungen lieferbar.

Nach Informationen von PULS GmbH München www.pulspower.com

Bei den Stromversorgungen ging die Entwicklung vom Längsregler zum Primärschaltregler und dieser wurde immer wieder weiter entwickelt und optimiert. Viele Jahre verwendete man hart schaltende Konzepte, bis die Entwickler resonant schaltende Wandler genauer untersucht haben. Diese haben weniger Schaltverluste, zeichnen sich aber dadurch aus, dass die Resonanz nur an einem Arbeitspunkt gut funktioniert. Deshalb wurden resonante Wandler nur dort eingesetzt, wo die benötigte Leistung relativ konstant ist, beispielsweise in Fernsehgeräten.
Ganz anders sind die Verhältnisse bei einem Stand-alone-Industrienetzteil. Vom Leerlauf über Teillast, Volllast bis zur Überlast und zum Kurzschluss muss die Stromversorgung definiert arbeiten. Gleichzeitig kann bei jedem dieser Lastfälle die Netzspannung in eine transiente Überspannung gehen, wie sie im Extremfall mit dem VDE0160-Impuls für 700 V für 1,3 ms im 230-V-Netz spezifiziert ist, oder es sollen Netzunterbrechungen von 20 ms ohne Störung am Ausgang gepuffert werden. Damit kann die effektive DC-Eingangsspannung für den Wandler von 250 bis 600 V – also um den Faktor 2,4 – schwanken und zusätzlich möchte der Anwender den Ausgang noch von 24 bis 28 V einstellen können – und das alles mit guten Stabilitätseigenschaften. Als weitere Erschwernis kommt hinzu, dass die Netzteile zum Auslösen von Sicherungen kurzzeitig einen weit höheren Strom als den Nennstrom zur Verfügung stellen müssen.
Das stellte für einen reinen Resonanzwandler bisher eine nicht lösbare Aufgabe dar. Um dennoch dessen Vorteile bezüglich Wirkungsgrad und Baugröße zu nutzen, haben die meisten Hersteller einen zweiten Wandler zur Vorregelung vorgeschaltet. Obwohl durch diese zusätzliche Stufe eher Nachteile zu vermuten sind, war das damit erreichte Gesamtergebnis doch überzeugend. Die im Jahr 2005 mit dieser Technologie von Puls eingeführte Stromversorgung QT20 mit 480 W und 3-Phasen-Eingang ist noch heute Stand der Technik. Die nächste Generation der 480-W-Geräte basiert dagegen auf einem einstufigen Resonanzwandler. Die ersten Geräte sind die CPS20-Varianten mit 1-Phasen-Eingang und 480 W Ausgangsleistung.
Auch für schwierige Betriebszustände
Der Hersteller hat die neuen Geräte mit dem sogenannten HiccupPlus ausgestattet. Mit Hiccup wird ein Verhalten bezeichnet, bei dem sich die Geräte zum Eigenschutz bei Überlast abschalten und einen periodischen Wiederstart versuchen. Der Hiccup wurde schon vor Jahren durch ein Konstantstromverhalten oder sogar eine ausgezogene/Fold-forward-Kennlinie ersetzt.
Hiccup-Schaltungen galten als zu empfindlich in Verbindung mit Motoren oder Verbrauchern, die mit großen Eingangskapazitäten ausgestattet sind. Auch ein Parallelschalten von Netzgeräten oder das Laden von Batterien konnte mit dem Überlastverhalten kritisch sein. Prinzipiell ist das Hiccup-Überlastverhalten eine sichere Sache, wenn es um den Schutz von Leitungen oder Verbrauchern geht. Der geringe effektive Kurzschlussstrom am Ausgang vermeidet im Fehlerfall Folgeschäden, das ganze System kann mit sparsameren Kabelquerschnitten ausgelegt werden und letztendlich lassen sich Netzgeräte damit auch kostengünstiger und bis zu 20 % kompakter realisieren. Der HiccupPlus-Modus beseitigt nun die Schwachstellen und nutzt die Vorteile.
Gerade bei leistungsstärkeren Netzgeräten können aufgrund des hohen Kurzschlussstroms Gefahren entstehen, die oftmals zu wenig Beachtung finden. Unterschätzt wird, dass sich die Auswirkung des Stroms auf Leitungen, Anschlussklemmen und Kontakte quadratisch mit der Stromstärke erhöht. Ein Stromanstieg von 20 auf 30 A erzeugt bei einer Anordnung von z.B. 50 mOhm (entspricht in etwa 7 m Draht mit 2,5 mm2) eine Erhöhung der Verluste von 20 auf 45 W. Das sind 125 % mehr Verluste bei einem Stromanstieg von nur 50 %.
Noch kritischer sieht die Situation bei redundanten Systemen aus. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit werden meistens zwei Netzgeräte in einer 1+1-Konfiguration über Dioden oder Redundanzmodule zusammengeschaltet. Benötigt man z.B. 15 A, wird man zwei 20-A-Netzgeräte wählen. Ein 20-A-Netzgerät liefert bei einer ausgezogenen Kennlinie knapp 30 A Kurzschlussstrom. Das bedeutet, dass bei einem Kurzschluss ein Strom von 60 A fließt und die Verluste im Vergleich zum Nennstrom von 15 A um den Faktor 16 ansteigen. Der Hiccup-Modus ist hier im Vorteil.
Im Gegensatz zum klassischen Hiccup-Modus ist das HiccupPlus-Verhalten aber eine Kombination aus ausgezogener Kennlinie und dem Hiccup-Verhalten. Nach einer Überlastung oder einem Kurzschluss liefert das Netzgerät zwei Sekunden lang Dauerstrom, danach schaltet es automatisch auf den sicheren HiccupPlus-Modus. Während dieser 2 s liefert das Gerät sogar den 2-fachen Nennstrom. Damit können auch schwierige Verbraucher problemlos starten, und es steht genügend Strom zum Auslösen von Sicherungen zur Verfügung, um fehlerhafte Stromkreise abtrennen zu können. Dank der langen Aus-Zeit von 18 s ist auch im Kurzschluss der Effektivstrom deutlich unterhalb des Nennstroms. Leitungen, Schaltkontakte und Verbindungsstellen werden nicht überbeansprucht. Das Verhalten setzt auch erst bei einem Einbruch der Ausgangsspannung um mehr als 40 % ein. Dies vermeidet ein ungewolltes Abschalten beim Laden von Batterien oder bei Netzgeräten, die zur Leistungserhöhung parallel geschaltet werden, sofern keine Maßnahmen zur symmetrischen Stromaufteilung vorhanden sind.
Bis zu vierfachem Ausgangsstrom
Die kompakten Netzgeräte der Serie CPS20 liefern bei nur 65 mm Breite sichere 24 V, 20 A oder 48 V, 10 A. Die volle Leistung steht in einem weiten Temperaturbereich von -25 bis +60°C zur Verfügung. Bis +45°C sind sogar permanent 20 % mehr Leistung erlaubt. Zum sicheren Auslösen von sekundärseitigen Sicherungen liefern die Geräte für 15 ms den 4-fachen Ausgangsstrom bei nahezu voller Ausgangsspannung. Die Geräte beherrschen folgende Fälle:
  • 120 % vom Nennstrom werden dauerhaft bereitgestellt. Die Begrenzung ist nur thermisch. Wenn die Umgebungstemperatur unter +45°C bleibt oder eine Zwangsbelüftung vorhanden ist, darf dieser Strom unbegrenzt entnommen werden. So wird aus einem 480-W-Netzteil ein 580-W-Typ.
  • 200 % werden für 15 ms geliefert, die Ausgangsspannung bleibt praktisch noch erhalten.
  • 400 % werden für 15 ms geliefert, die Ausgangsspannung bricht auf ca. 80 % ein.
Sollte nach 15 ms immer noch eine Überlast vorliegen, hängt das weitere Verhalten davon ab, wie stark die Überlast ist:
  • Eine mäßige Überlast, sodass die Ausgangsspannung oberhalb der halben Nennspannung bleibt: Kontinuierlich wird ein Strom von ca. 130 % geliefert.
  • Eine starke Überlast, sodass die Ausgangsspannung unter die halbe Nennspannung gezwungen wird: es folgt ein periodischer Wechsel zwischen einem Strom von 140 % bis 200 % für 2s und einer 18 s langen Abkühlpause, der HiccupPlus.
Zusätzlich sind noch besonders große Elkos am Ausgang eingebaut, die kurzzeitig weiteren Spitzenstrom zum Auslösen von Sicherungen liefern. Die Hiccupplus-Charakteristik mit ihrem differenzierten Verhalten erreicht, dass eigentlich widersprüchliche Anforderungen erfüllt werden:
  • Stromversorgungen müssen nicht wegen Spitzenlasten überdimensioniert werden.
  • Es wird genügend Strom zum Auslösen von Sicherungen geliefert.
  • Batterien können geladen werden.
  • Leitungen werden nicht unnötig gefährdet.
Weitere Features dieser Geräte sind ein Volllastwirkungsgrad von 94 % sowie exzellente Teillastwirkungsgrade, aktive PFC, elektronische Einschaltstrombegrenzung, DC-ok-Signal zur Fernüberwachung sowie eine Vorkehrung zur symmetrischen Parallelschaltung. Die Geräte sind mit einem Weitbereichseingang ausgestattet; Varianten für Atex und Varianten für DC-Eingangsspannungen zwischen 88 und 375 VDC runden die Familie ab. ge

INFO-TIPP
Die zulässigen Grenzwerte für den Spannungsbereich und die Überbrückungszeit, bei denen Steuerungskomponenten noch sicher arbeiten müssen, sind in der EN 61131-2 festgelegt. So darf die 24-V-Versorgung für nicht länger als 10 ms unter 20,4 V einbrechen. Basisinfor- mationen dazu bietet die Seite:
http://de.wikipedia.org/wiki/EN_61131

PRAXIS PLUS
Der Hersteller bietet in der Dimension-UB20-Serie eine universell einsetzbare DC-USV für Ausgangsströme bis 20 A an. Das nur 46 mm breite Gerät kann mit Batterien zwischen 3,9 Ah und 130 Ah verwendet werden und eignet sich damit nicht nur als Kurzzeitversorgung zum kontrollierten Beenden nach einem Stromausfall, sondern auch als Notversorgung bis vom Servicepersonal der Fehler behoben werden kann. Dank der zwischen 22,5 V und 26 V einstellbaren Pufferspannung ist die DC-USV auch für spannungsempfindliche Systeme geeignet. Die UB20 ist mit einer umfangreichen Batteriediagnose und vielen Schutzfunktionen ausgestattet. Der Ausgang der DC-USV ist vom Eingang entkoppelt. Laststromkreise lassen sich daher sehr einfach in gepufferte und nicht gepufferte Zweige aufteilen.
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