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Dokumentenidentifikation EP0881735 14.01.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0881735
Titel Schaltungsanordnung einer Stromversorgungseinheit
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Busch, Peter, 86179 Augsburg, DE
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument De
EP-Anmeldetag 18.05.1998
EP-Aktenzeichen 981091309
EP-Offenlegungsdatum 02.12.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.01.1999
IPC-Hauptklasse H02J 1/10

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung einer Stromversorgungseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Computeranlagen oder Personalcomputer mit hoher Datenverarbeitungsleistung erfordern mehr und mehr Stromversorgungssysteme mit hohen Leistungen. Zur Anwendung kommen Stromversorgungssysteme, die mit Stromversorgungseinheiten aufgebaut sind, die parallel zusammenschaltbar sind, um so einerseits nur einen Typ von Stromversorgungseinheit zu haben, andererseits aber trotzdem jeweils gemäß den Anforderungen den Strombedarf decken zu können. Es reicht aber nicht mehr aus, nur den Strombedarf zu decken. Es muss auch sichergestellt werden, dass eine gleichmäßige Aufteilung der Stromanteile, die die Stromversorgungseinheiten jeweils zu einem Gesamtstrom liefern, gegeben ist. Dadurch wird eine gleichmäßige Belastung und damit eine möglichst lange Lebensdauer der Stromversorgungseinheiten erzielt. Weiter wird aber auch eine Redundanz in dem Stromversorgungssystem verlangt, so dass, wenn doch einmal eine Stromversorgungseinheit ausfällt, das Stromversorgungssystem weiterhin ohne Ausfall oder Einbruch der Systemspannungen die Computeranlage oder den Personalcomputer betreibt.

Aus EP 0 432 754 B1 ist eine Schaltungsanordnung einer Stromversorgungseinheit bekannt, die den obigen Kriterien entspricht. Sie ist parallel zu einem redundanten Stromversorgungssystem zusammenschaltbar mit einer auf die jeweiligen Stromversorgungseinheiten gleichmäßigen Aufteilung der Ausgangsstromanteile. In dieser Stromversorgungseinheit stellt eine als Regelstrecke bezeichnete Komponente ein Leistungsteil dar, das auf einer Ausgangsleitung eine Ausgangsspannung liefert, die zusammen mit den Ausgangsspannungen der jeweils anderen an einem Stromversorgungssystem beteiligten Stromversorgungseinheiten auf einer gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung eine gemeinsame Ausgangsspannung liefern. Für die richtige Regelung der Ausgangsspannung steht die Regelstrecke mit ersten Mitteln gebildet aus einem Spannungsregler in Verbindung, mit dem eine Spannungsabweichung zwischen der Ausgangsspannung und einer Sollausgangsspannung in Form einer Referenzspannung erfasst wird. Ein Mittelwertbildner in Form eines Widerstandes erzeugt als ein zweites Mittel aus der vom Spannungsregler erfassten Spannungsabweichung eine ein Maß für einen gemittelten Sollstrom darstellende elektrische Führungsgröße auf einer für alle an einem Stromversorgungssystem beteiligten Stromversorgungseinheiten gemeinsamen Parallelsteuerbusleitung. Schließlich dienen dritte Mittel in Form eines Stromreglers dazu, einen auf der Ausgangsleitung fließenden Iststrom auf den durch die zweiten Mittel in Form der elektrischen Führungsgröße dargestellten Sollstrom einzustellen. Dazu steuert der Stromregler direkt die Regelstrecke in einer entsprechenden Weise, beispielsweise durch eine Tastverhältnissteuerung von in dem Leistungsteil enthaltenen Schalttransistoren.

Nachteilig bei dieser Stromversorgungseinheit ist, dass eine kleine Überspannung auf der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung infolge eines defekten Stromreglers oder eines defekten Leistungsteils innerhalb einer der an einem StromversorgungsSystem beteiligten Stromversorgungseinheiten die Spannungsregler der Stromversorgungseinheiten, in denen kein Defekt aufgetreten ist, die gemeinsame Parallelsteuerbusleitung auf Null Volt regeln. Dadurch werden die jeweiligen Stromregler in den jeweils nicht defekten Stromversorgungseinheiten die Ausgangsspannungen der jeweils zugehörigen Leistungsteile ebenfalls auf Null Volt regeln. Es besteht dann die Gefahr, dass die nicht defekten Stromversorgungseinheiten, weil davon auszugehen ist, dass die Stromversorgungseinheiten mit einer Unterspannungsabschalteinrichtung ausgestattet sind, abschalten. Wird infolge eines oben angesprochenen Defekts eine größere Überspannung an der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung erzeugt, besteht die Gefahr, dass nach einiger Zeit die defekte Stromversorgungseinheit abschaltet, weil davon auszugehen ist, dass die Stromversorgungseinheiten auch eine interne Fehlererkennungsschaltung haben, die dann einsetzt. Die gemeinsame Ausgangsspannung auf der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung ist in der Regel über einen Gesamtausgangsspannungskondensator gepuffert und sinkt deshalb nicht schlagartig auf Null Volt ab. Sinkt die gemeinsame Ausgangsspannung auf der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung infolge der Fehlerabschaltung unter eine Nennspannung ab, die dem Stromversorgungssystem an sich zugrunde liegt, wird die Spannung auf der gemeinsamen Parallelsteuerbusleitung von Null Volt wieder auf einen entsprechenden Spannungswert angehoben. Die nicht defekten Stromversorgungseinheiten beginnen wieder zu arbeiten und müssen nun ihre Ausgangsspannungen von Null Volt auf die Nennspannung anheben. Dies dauert relativ lange, so dass die gemeinsame Ausgangsspannung auf der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung kurzzeitig zu viel unter den Nennwert sinkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Stromversorgungseinheit der eingangs genannten Art anzugeben, mit der Stromversorgungssysteme der oben genannten Art aufgebaut werden können mit der technischen Eigenschaft, dass bei Problemen der vorhin beschriebenen Art im gegebenen Fall wesentlich schneller wieder ihre Nennausgangsspannungen einregeln.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Danach wird mit Hilfe eines entsprechenden Spannungsteilers am Ausgang der Stromversorgungseinheit mit entsprechender Zusatzbeschaltung erreicht, dass in einem Überspannungsfall der früher beschriebenen Art die nicht defekten Stromversorgungseinheiten eines betreffenden Stromversorgungssystems mit einer jeweiligen Ausgangsspannung betrieben wird, die sich im Leerlauf befindet und nur wenig unterhalb der eigentlichen Nennspannung des Stromversorgungssys-tems liegt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung mit einer einzigen Figur erläutert.

In der Figur ist ein Stromversorgungssystem mit zwei parallelgeschalteten, identischen Stromversorgungseinheiten SA und SB zu sehen. Die Anzahl der parallel geschalteten Stromversorgungseinheiten ist für die Beschreibung der Erfindung unerheblich, da sich die Erfindung auf die Stromversorgungseinheit an sich bezieht und die Zahl Zwei nur stellvertretend für eine mögliche größere Anzahl steht. Weiter beschränkt sich die nachfolgende Beschreibung auf die Beschreibung der in der Figur an erster Stelle gezeichneten Stromversorgungseinneit SA, da die weiteren Stromversorgungseinheiten, wie gesagt, identisch sind. Soweit also Bezugszeichen mit dem Endbuchstaben A angegeben werden, gelten diese auch für die anderen Stromversorgungseinheiten mit der Maßgabe, dass der Endbuchstabe durch einen entsprechenden weiteren fortlaufenden Buchstaben ersetzt ist. Für die in der Figur zum Beispiel an zweiter Stelle angegebenen Stromversorgungseinheit ist das beispielsweise der Buchstabe B.

Die in der Figur an erster Stelle angegebene Stromversorgungseinheit SA weist ein Leistungsteil LSTA auf, das mit einer Eingangswechselspannung ACin versorgt wird. Das Leistungsteil LSTA ist an einem Ausgang mit einer Ausgangsleitung verbunden, auf der von dem Leistungsteil LSTA eine Ausgangsspannung Ua (LSTB: Ub) erzeugt ist. Die Ausgangsleitungen sind am Ausgang des Stromversorgungssystems über eine gemeinsame Ausgangsspannungsleitung miteinander verbunden. Auf der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung stellt sich eine gemeinsame Ausgangsspannung Ug ein. Je nach vorherrschender Strombelastung auf der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung fließt auf der Ausgangsleitung der Stromversorgungseinheit SA ein Stromanteil, der als ein Iststrom IistA aufzufassen ist.

Alle die Istströme der in einem Stromversorgungssystem vorhandenen Stromversorgungseinheiten liefern einen Stromanteil zum gesamten Laststrom auf der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung. Solange dieser Laststrom erzeugt werden kann, ist ein von dem Stromversorgungssystem zu betreibendes Gerät funktionstüchtig.

In der Ausgangsleitung der Stromversorgungseinheit SA ist eine Entkopplungsdiode D1A vorgesehen, die die Funktion hat, dass die Stromversorgungseinheit SA im laufenden Betrieb des Stromversorgungssystems dazugeschaltet oder abgekoppelt werden kann.

Das Leistungsteil LSTA weist einen Steuereingang SEA auf, über den zu Steuerungszwecken eine elektrische Führungsgröße zugeführt wird. Abhängig von der elektrischen Führungsgröße regelt das Leistungsteil LSTA auf der Ausgangsleitung den Iststrom IistA ein.

Im Detail erfolgt die Einregelung des Iststromes IistA dadurch, dass über einen Spannungsteiler SPTA die gemeinsame Ausgangsspannung Ug auf der gemeinsamen Ausgangsspannungsleitung abgegriffen und durch einen Spannungsregler SPRA mit einer Sollspannung, die durch eine Referenzspannung UrefA zur Verfügung gestellt wird, verglichen wird. Die gemeinsame Ausgangsspannung Ug ist dabei dem Spannungsregler SPRA am Minuseingang und die Referenzspannung UrefA am Pluseingang zugeführt. Als Ergebnis des Vergleichs wird eine Spannung erzeugt, die über einen Widerstand R5A auf eine gemeinsame Parallelsteuerbusleitung PSBL geführt wird. Es handelt sich deshalb um eine gemeinsame Parallelsteuerbusleitung, weil diese Leitung alle entsprechenden Punkte der anderen am Stromversorgungssystem beteiligten Stromversorgungseinheiten miteinander verbindet und parallel schaltet. Der Widerstand R5A stellt für die Stromversorgungseinheit SA einen Mittelwertbildner dar, weil sich durch diesen Widerstand in Verbindung mit den jeweils entsprechenden Widerständen der anderen am Stromversorgungssystem beteiligten Stromversorgungseinheiten auf der gemeinsamen Parallelsteuerbusleitung PSBL eine Spannung als eine elektrische Führungsgröße einstellt, die ein Maß für einen gemittelten Sollstrom darstellt. Anhand des gemittelten Sollstromes stellen alle Stromversorgungseinheiten ihre Stromanteile an den zugehörigen Ausgangsleitungen ein, so dass letztlich alle Stromversorgungseinheiten bis auf bauteiltechnisch bedingte Toleranzunterschiede den gleichen Stromanteil liefern.

Ein Stromregler STRA greift über seinen Pluseingang diesen gemittelten Sollstrom ab und vergleicht diesen mit dem Iststrom IistA des Leistungsteils LSTA. Dazu ist der Stromregler STRA über einen Strommesspunkt SPA mit der Ausgangsleitung des Leistungsteils LSTA verbunden. In Abhängigkeit von dem Vergleich erzeugt dann der Stromregler STRA die elektrische Führungsgröße, die das Leistungsteil LSTA dahingehend steuern, dass auf der Ausgangsleitung ein Iststrom IistA fließt, der dem gemittelten Sollstrom auf der gemeinsamen Parallelsteuerbusleitung PSBL entspricht.

Wird infolge eines Defekts beispielsweise des Leistungsteils LSTA oder des Stromreglers STRA der Stromversorgungseinheit SA eine überhöhte gemeinsame Ausgangsspannung Ug erzeugt, treten die eingangs genannten Effekte auf. Um diese zu verhindern, weist der nach der Entkopplungsdiode D1A gegen Masse an die Ausgangsleitung angeschlossene Spannungsteiler SPTA beispielsweise eine Dreiteilung mit den Teilwiderständen R1A, R2A, R3A auf, wobei zwischen dem zweiten und dritten Teilwiderstand R2A und R3A der Minuseingang des Spannungsreglers SPRA und zwischen dem ersten und zweiten Teilwiderstand R1A und R2A eine Ableitdiode D2A angeschlossen ist. Die Ableitdiode D2A ist dabei in der Weise angeschlossen, dass sie im Vergleich zur Entkopplungsdiode D1A antiparallel zur Entkopplungsdiode D1A, das heißt in Gegenrichtung zur Ausgangsspannung Ua der Stromversorgungseinheit SA, geschaltet ist. Auf diese Weise ist die Ableitdiode D2A mit ihrer Kathodenseite vor der Entkopplungsdiode D1A mit der Ausgangsleitung der Stromversorgungseinheit SA verbunden. Gleichzeitig ist die Kathodenseite der Ableitdiode D2A über einen Ableitwiderstand R4A mit Masse der Stromversorgungseinheit SA verbunden.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der Ableitdiode D2A und der zugehörigen Beschaltung näher erläutert.

Steigt die gemeinsame Ausgangsspannung Ug der Stromversorgungseinheiten SA und SB wegen einer defekten Stromversorgung SA an, fällt zunächst die innere Ausgangsspannung Ub der Stromversorgungseinheit SB ab, bis D2B zu leiten beginnt. Ist der Teiler allgemein der Teilwiderstände R1, R2 und R3 und damit im speziellen der der Teilwiderstände R1B, R2B und R3B z.B. auf R3B=45%, R2B=45% und R1B=10% dimensioniert, so beginnt die Ableitdiode D2B der Stromversorgungseinheit SB ab einer Ausgangsspannung Ub von kleiner als (0,9*Ugnenn-UD2B) zu leiten. Ugnenn ist die Nennspannung der gemeinsamen Ausgangsspannung Ug, und UD2B ist der Spannungsabfall über der Ableitdiode D2B im leitenden Zustand.

Wenn die Ableitdiode D2B leitet, wird die Eingangsspannung von Spannungsregler SPRB von der Ausgangsspannung Ub des Lei-stungsteils LSTB bestimmt. Daher fällt die innere Ausgangsspannung Ub nicht mehr weiter ab, die Stromversorgungseinheit SB bleibt im Regelbereich und kann wesentlich schneller wieder auf die Nennausgangsspannung hochregeln, wenn die defekte Stromversorgungseinheit SA abgeschaltet hat. Es besteht auch nicht mehr die Gefahr des Abschaltens der Stromversorgungseinheit SB wegen einer eingebauten Unterspannungsüberwachung, solange die Unterspannungsgrenze unterhalb der Ausgangsspannung Ub=(0,9*Ugnenn-UD2B) liegt.

Solange der Überspannungsfall nicht eintritt, sperren die Ableitdioden D2A bzw. D2B und der Spannungsteiler R1, R2, R3 erfasst die gemeinsame Ausgangsspannung Ug.

Der Teilwiderstand R1A bzw. R1B muss einerseits so dimensioniert sein, dass bei Kurzschluss in der Stromversorgungseinheit (z.B. Ausgangsspannungskondensator CA der Stromversorgungseinheit SA kurzgeschlossen) nur ein geringer Strom durch den Ableitwiderstand D2A bzw. D2B zurück in die Stromversorgungseinheit fließt, andererseits soll er nur einen geringen Anteil des Gesamtwiderstandes der den Spannungsteiler SPTA bzw. SPTB bildenden Teilerkette darstellen (z.B. 5% oder 10%).

Der Ableitwiderstand R4 (R4A bzw. R4B) soll sicherstellen, dass der Strom durch den Teilwiderstand R1 (R1A bzw. R1B) und die Ableitdiode D2 (D2A bzw. D2B) und der Leckstrom durch die Entkopplungsdiode D1 (D1A bzw. D1B) gegen Masse abfließt, damit nicht die Ausgangsspannung Ua bzw. Ub um mehr als die sogenannte Leerlaufspannung im externen Überspannungsfall angehoben werden kann. Oft ist dieser Widerstand aber schon als Grundlastwiderstand in der Stromversorgungseinheit vorhanden.


Anspruch[de]
  1. Schaltungsanordnung einer Stromversorgungseinheit, parallel zusammenschaltbar mit gleichartigen Stromversorgungseinheiten zu einem redundanten Stromversorgungssystem mit auf die jeweiligen Stromversorgungseinheiten gleichmäßig aufgeteilten Ausgangsstromanteilen, mit wenigstens einer, eine Entkopplungsdiode zum gegenseitigen Entkoppeln jeweiliger parallelgeschalteter Stromversorgungseinheiten aufweisenden Ausgangsleitung für eine mit einem Leistungsteil erzeugte Ausgangsspannung, zu deren Regelung erste Mittel zum Erfassen einer Spannungsabweichung gegenüber einer SollausgangsSpannung, zweite Mittel zum Erzeugen einer von der erfassten Spannungsabweichung beeinflussten, ein Maß für einen gemittelten Sollstrom darstellenden elektrischen Führungsgröße auf einer für die an einem Stromversorgungssystem beteiligten Stromversorgungseinheiten gemeinsamen Parallelsteuerbusleitung und dritte Mittel zum Einregeln eines auf der Ausgangs-Leitung fließenden Iststromes auf den gemittelten Sollstrom durch Steuern des Leistungsteils vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang der Entkopplungsdiode (z.B. D1A), bezogen auf ein Bezugspotential der Schaltungsanordnung, ein mit einem Teilabgriff mit den ersten Mitteln verbundener Spannungsteiler (z.B. SPTA) vorgesehen ist, der einen weiteren Teilabgriff für eine antiparallel zur Entkopplungsdiode (z.B. D1A) geschaltete Ableitdiode (z.B. D2A) aufweist, deren Ausgang über einen Ableitwiderstand (z.B. R4A) mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden ist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu den ersten Mitteln ein Spannungsregler (z.B. SPRA) mit einem Minus- und einem Pluseingang gehört, dessen Minuseingang mit dem Spannungsteiler (z.B. SPTA) verbunden und dessen Pluseingang mit einer Referenzspannung (z.B. UrefA) als Maß für die Sollausgangsspannung (Ua) beaufschlagt ist, dass zu den zweiten Mitteln ein Widerstand (z.B. RA) gehört, der zwischen einem Ausgang des Spannungsreglers (z.B. SPRA) und der Parallelsteuerbusleitung (PSBL) angeordnet ist, dass zu den dritten Mitteln ein Stromregler (z.B. STRA) gehört, der mit einem Minuseingang zum Überwachen des Iststromes (z.B. IistA) mit der Ausgangsleitung des Leistungsteils (z.B. LSTA) und mit einem Pluseingang mit der Parallelsteuerbusleitung (PSBL) verbunden ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler (z.B. SPTA) gegen Masse geschaltet ist und drei Teilwiderstände (z.B. R1A, R2A, R3A) aufweist, die mit dem Spannungsteiler (z.B. SPTA) und der Ableitdiode (z.B. D2A) in der Weise zusammengeschaltet sind, dass zwischen dem ersten und zweiten Teilwiderstand (z.B. R1A und R2A) die Ableitdiode (z.B. D2A) und zwischen dem zweiten und dritten Teilwiderstand (z.B. R2A und R3A) der Minuseingang des Spannungsreglers (z.B. SPRA) angeschlossen sind.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilwiderstande (z.B. R1A, R2A, R3A) Widerstandswerte aufweisen, die größenordnungsmäßig dem Verhältnis 10:45:45 entsprechen.






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