Stromversorgungen Worauf Sie beim Aufbau redundanter Stromversorgungssysteme achten sollten

Redundante Stromversorgungen stellen den zuverlässigen Betrieb von Systemen sicher. Wir verraten Ihnen, welche Möglichkeiten des Aufbaus redundanter Systeme es gibt und worauf Sie dabei achten sollten.

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Es werden unterschiedliche Redundanzarten definiert (Redundanz von lat. redundans: im Überfluss vorhanden). Die funktionelle Redundanz wird in sicherheitskritischen Systemen eingesetzt, wo ein Systemausfall nicht akzeptabel ist. Teilsysteme werden mehrfach parallel ausgelegt, damit beim Ausfall einer Komponente eine andere den Dienst übernehmen. In Flugzeugen beispielsweise werden hydraulische, mechanische und elektronische Systeme miteinander kombiniert, um die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems auf ein absolutes Minimum zu reduzieren. In der Leistungselektronik werden redundante Stromversorgungen durch Dioden oder p-Kanal Power MOSFETs im Ausgang voneinander entkoppelt, damit sie sich nicht gegenseitig beeinflussen können. Alle QUEL Einzelspannungsgeräte sind für den Betrieb mit einfacher Redundanz aufrüstbar beziehungsweise ausgestattet.

System aus N+1 Einheiten zur Ausfallsicherung

N+1-Redundanz bedeutet, dass ein System aus N+1 Einheiten besteht und N Einheiten zur Aufrechterhaltung der Funktion benötigt werden. In der Leistungselektronik bedeutet das, dass zu jedem Zeitpunkt auch bei Ausfall einer Komponente der Leistungsbedarf des Gesamtsystems gedeckt bleiben muss.

Fällt ein aktives Gerät aus, so kann die Funktion der ausgefallenen Einheiten dadurch aufrechterhalten werden, dass eine bis dahin nicht stromführende Einheit den Ausfall durch Zuschaltung kompensiert (kalte Redundanz) oder dass alle N+1 Einheiten im Normalbetrieb arbeiten und der Ausfall einer Einheit durch alle noch aktiven Komponenten aufgefangen wird (heiße Redundanz). Der Vorteil der heißen Redundanz, die alle Geräte von QUEL bieten, ist die sofortige Verfügbarkeit der maximal erforderlichen Leistung.

Ein genereller Nachteil der N+1-Redundanz ist, dass bei einem weiteren Ausfall einer aktiven Einheit das System nicht mehr voll zur Verfügung steht und damit in der Regel als ausgefallen betrachtet wird. Dem steht der Vorteil einer wesentlich höheren Wirtschaftlichkeit gegenüber.

Homogene Redundanz reduziert den Entwicklungsaufwand

Bei homogener Redundanz arbeiten gleiche Komponenten parallel miteinander. Mit dieser Auslegung lässt sich der Entwicklungsaufwand durch identische Komponenten reduzieren. Diese Auslegung sichert gegen zufällige Ausfälle, z.B. Alterung, Verschleiß und erhöht die Gesamtzuverlässigkeit. Bei inhomogener Redundanz koppelt man Komponenten unterschiedlicher Hersteller zusammen, um das Restrisiko von Entwicklungs- und Fertigungsmängeln gleicher Hersteller zusätzlich noch auszuschließen. Dies bringt aber den Nachteil schlechterer Wirtschaftlichkeit und potentieller Probleme im Zusammenspiel der Einzelkomponenten mit sich.

Damit die zu versorgenden Systeme, z.B. Kraftwerksleitwarten, unterbrechungsfrei weiter laufen können, müssen die Stromversorgungen im Fehlerfall während des Betriebes ausgetauscht werden können (hot swapping).

Im Anwendungsfall Stromversorgungssysteme sind hochkapazitive Kondensatoren verbaut.

Damit beim Laden dieser Kondensatoren keine hohen Spitzenströme über die Kontakte der Steckverbindungen fließen, wird die Stromversorgung über im frontseitig bedienbaren Ziehgriff integrierten Schalter eingeschaltet. Durch diese Schaltfunktion im Ziehgriff ist ein unproblematischer Austausch der Module auch während des Betriebes möglich.

Konvektionskühlung erhöht die Ausfallsicherheit

Damit die Geräte zu einer sehr hohen Ausfallsicherheit kommen, wurde auf mechanische Bauelemente wie Lüfter verzichtet. Zusätzlich werden die internen Temperaturen durch einen bewusst „luftigen“ Aufbau sehr gering gehalten. Trotzdem stehen 400 W in nur 21TE bei 220 mm Baugruppentiefe zur Verfügung (48-V-DC-DC-Betrieb, Einspeisung mit 220 V_DC). Der Wirkungsgrad in diesem entkoppelten System beträgt 92%.

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