DE3320885A1

DE3320885A1 - Parallelbetriebssysteme fuer stabilisierte leistungsquellen

Info

Publication number: DE3320885A1
Application number: DE19833320885
Authority: DE
Inventors: Masahiko Hino Tokyo Oka; Masahiro Yoshida
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Facom Corp
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Facom Corp
Priority date: 1982-06-10
Filing date: 1983-06-09
Publication date: 1983-12-29
Also published as: JPS58215928A; DE3320885C2; JPH0117332B2; US4476399A

Description

Parallelbetriebssystem für stabilisierte Leistungsquellen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Parallelbetriebssystem für stabilisierte Leistungsquellen, wie sie bei industriellen Anwendungen, etwa dem Steuern von Mikrocomputern, ¹^ eingesetzt werden.

Allgemein gesprochen muß ein Entwickler beim Aufbau eines Leistungsquellensystems durch Parallelschaltung mehrerer Leistungsquellen zwei wesentliche Ziele erfüllen. Diese sind insbesondere Zuverlässigkeit der Leistungsversorgung und Erhöhung der Kapazität.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels eines üblichen Leistungsquellensystems, das "Diodenanpassungs-

system" genannt wird.

Fig. 1 zeigt zwei parallel betriebene Leistungsquellen 1 und 2 sowie zwei Ausgangsanpassungsdioden D1 und D2. Diese Dioden verhindern, daß der Ausgangsstrom einer der Leistungsquellen in die andere fließt, wenn die Ausgangsspannung der einen Leistungsquelle größer als diejenige der anderen ist.

Bei dem zuvor beschriebenen Parallelbetrieb zweier Lei-30

stungsquellen liefert die Leistungsquelle mit der grösseren Ausgangsspannung (beispielsweise Quelle 1 in Fig. 1) praktisch 100% des Laststromes. Unter dieser Bedingung sollte die Leistungsquelle 2 deaktiviert werden,

da die Last nicht beeinflußt wird, da die Leistungsquel-35

Ie 1 nach wie vor Ausgangsstrom an die Last liefert. An-

■»J Z. Vj U U vJ

dererseits sollte die Leistungsquelle 1 deaktiviert werden, wenn die Leistungsquelle 2 beginnt Strom an die Last zu liefern. In beiden Fällen wird die Last konstant mit

Laststrom versorgt.
5

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß das bekannte Diodenanpassungssystem für parallele Leistungsquellen vorteilhaft ist, da die Anzahl von erforderlichen Bauteilen verhältnismäßig gering ist und sich eine einfache Anordnung ergibt. Aus folgenden Gründen ist jedoch der Betrieb eines derartigen Systems nachteilig:

(1) In der Praxis wird die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der parallelen Leistungsquellen nie Null

werden. Es ist somit schwierig, ein Lastgleichgewicht zwi schen den Leistungsquellen aufrechtzuerhalten; dies bedeutet, daß Laststrom immer nur von einer der Leistungsquellen geliefert wird. Somit erhöht sich die Temperatur der den Laststrom abgebenden Leistungsquelle, so daß die Leistungsquelle (und somit das Leistungsquellensystem) bezüglich der Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird. Da die Zuverlässigkeit des Leistungsquellensystems von derjenigen Leistungsquelle abhängt, die den Laststrom liefert, wird die Zuverlässigkeit des Systems auch bei Erhöhung der Anzahl von parallel betriebenen Leistungsquellen nicht verbessert.

(2) Wird der Parallelbetrieb durchgeführt, um die Aus-3Q gangskapazität zu erhöhen, dann reicht das Lastgleichgewicht nicht aus, um beide Leistungsquellen in leitendem Zustand zu halten. Dies bedeutet, daß Strom nur von einer der Leistungsquellen geliefert wird und daß es notwendig wird, die Kapazität des Transistors, der die Leistungsquelle bildet, zu erhöhen. Es ist somit unmöglich, die Kapazität des Transistors durch Verwendung eines über-

strom-Schutzsystems zu verringern, das eine besonders günstige Ausgangsspannungs-/Laststrom-Charakteristik für die Leistungsquelle bietet.

(3) Das Lastgleichgewicht ist, wie zuvor beschrieben, unzureichend. Wenn deshalb Einschalten der Leistungsquellen erfolgt, etwa derart, daß eine zuvor nicht leitende Quelle leitend geschaltet wird, dann fällt während des Schaltens die Ausgangsspannung erheblich ab.

(4) Aufgrund der Eigenschaften der Anpassungsdioden D1 und D2 (matching diodes) hängt die Ausgangsspannung entweder vom Laststrom oder von der Umgebungstemperatur ab.

Dies bedeutet, daß es schwierig ist, die Ausgangsspannung 15

mit hohem Genauigkeitsgrad auf einem konstanten Pegel zu halten.

(5) Ist der Laststrom hoch, dann ist die Verlustleistung

in den Anpassungsdioden D1 und D2 hoch, so daß der Wir-20

kungsgrad verringert wird.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines zweiten bekannten Leistungsquellensystems, das als "Master und Slave-System" bekannt ist.

Die Fig. 2 zeigt eine Hauptleistungsquelle M, eine abhängige Leistungsquelle S, Ausgangsspannungs-Steuertransistoren Tr1 und Tr2, Fehlerverstärker A1 und A2, eine Zenerdiode ZD1 zum Zuführen einer Bezugsspannung und Aus gangsstrom-Feststellwiderstände R14 und

Die Hauptleistungsquelle M ist eine normal stabilisierte Leistungsquelle. In der Hauptleistungsquelle M wird das Leiten des Transistors Tr1 durch das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers A1 derart gesteuert, daß eine an den

invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers A1 angelegte Spannung (d.h. Vc = RI3 " E0/(R12 + R13)) gleich ist einer an den nichtinvertierenden Eingang angelegten Spannung, d.h. der Bezugsspannung V_7ni , wodurch die Ausgangsspannung EO

konstant gehalten wird.

In der abhängigen Spannungsquelle S wird das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers A2 zum Steuern des Leitens des Transistors Tr2 derart verwendet, daß eine an den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers A2 angelegte Spannung (d.h. die Spannung an Punkt _b) gleich ist einer an den invertierenden Eingang angelegten Spannung (d.h.' der Spannung am Punkt a_), wodurch die Ausgangsspannung EO konstant gehalten

wird. Ist somit die Spannung am Punkt a_ gleich derjenigen 15

am Punkt Jb, so gilt folgende Gleichung:

i₂ · R24 = I₁ · R14 (1 )

wobei I₁ der von der Hauptspannungsquelle M der Last zügeführte Strom und i~ der von der abhängigen Spannungsquelle S zugeführte Strom ist.

Wählt man R24 = R14, dann ist i₂ = I₁- Dies bedeutet, daß

_nr- der der Last von der Hauptleistungsquelle M zugeführte Strom /o

gleich demjenigen Strom ist, der der Last von der abhängigen Spannungsquelle S zugeführt wird. Auf diese Weise werden einige Nachteile des Diodenanpassungssystems gemäß Fig. 1 vermieden. Das Master- und Slave-System hat jedoch folgende QQ Nachteile:

1.) Wird eine abhängige Leistungsquelle deaktiviert, dann fließt immer noch Strom entweder von einer anderen abhängigen Leistungsquelle oder der Hauptleistungsquelle. Wird jedoch die Hauptleistungsquelle deaktiviert, dann werden auch ihre abhängigen Leistungsquellen abgeschal-

tet. Somit hängt die Zuverlässigkeit des Leistungsquellensystems , bei dem Leistungsquellen parallel betrieben werden, allein von der Hauptleistungsquelle ab. Bei einem derartigen System kann zwar die Ausgangskapazität durch Erhöhen der Anzahl der abhängigen Leistungsquellen erhöht werden, es kann jedoch die Zuverlässigkeit des Systems verbessert werden.

2.) Die Hauptleistungsquelle besitzt eine andere Schaltungsanordnung als die abhängige Spannungsquelle. Verglichen mit dem Fall, wo Hauptleistungsquelle und abhängige Leistungsquellen eine gleiche Schaltungsanordnung hätten, ist das Master- und Slave-System nicht für die Massenproduktion geeignet. Es ist somit schwierig, die Her-15

Stellungskosten zu reduzieren und die für die wartung eines derartigen parallelen Leistungsquellenaufbaus zu verringert.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Paral-20

lelbetriebssystem für eine stabilisierte Spannungsquelle anzugeben, bei dem die obengenannten Schwierigkeiten vermieden, die Ausgangskapazität erhöht und die Zuverlässigkeit verbessert werden.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden gelöst bei einem Parallelbetriebssystem für stabilisierte Leistungsquellen, bei dem eine Mehrzahl stabilisierter Leistungsquellen zueinander parallel geschaltet sind. Jede Leistungs-

_on quelle gemäß der Erfindung besitzt eine Fehlerspannungsfest-Stellvorrichtung, die eine Bezugsspannung und eine Ausgangsspannung einer Leistungsquellenschaltung einem Vergleich unterzieht, um eine Fehlerspannung zwischen diesen Spannungen festzustellen und als Stromeinstellungsitfert abzugeben, fer-

₃g ner ist eine Ausgangsstrom-Feststellvorrichtung zum Feststellen eines Ausgangsstroms der Leistungsquellenschaltung

und zum Abgeben einer Feststellspannung entsprechend dem so festgestellten Ausgangsstrom und eine Stromeinstellvorrichtung zum Einstellen eines Ausgangsstroms der Leistungs quellenschaltung vorgesehen, derart, daß die Feststellspan nung der Ausgangsstrom-Feststellvorrichtung gleich dem Stromeinstellwert ist. Die Ausgänge der Fehlerspannungs-Feststellvorrichtung sind über eine gemeinsame Sammelleitung verbunden, um die Fehlerspannungen der stabilisierten Leistungsquellen zu mitteln.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nachstehend beschrieben. Es zeigen

• Fig. 1 ein Schaltbild mit parallel geschalteten

Leistungsquellen, die gemäß dem bekannten Diodenanpassungssystem verbunden sind,

Fig. 2 ein Schaltbild parallel geschalteter Lei-

stungsquellen, die in der bekannten Master-/ Slave-Art verbunden sind, und

Fig. 3 ein Schaltbild des bevorzugten Ausführungs- rjc beispiels der Erfindung.

Fig. 3 zeigt stabilisierte Leistungsquellen 1,2 ... und N mit äquivalentem Aufbau, d.h. ein paralleles Betriebssystem mit N-Leistungsquellen. Die positiven Ausgänge (+) bzw. die negativen Ausgänge (-) der Leistungsquellen sind jeweils miteinander verbunden. Die Leistungsquellen sind auch miteinander über eine gemeinsame Sammelleitung B verbunden. Die Leistungsquelle 1 besitzt einen Ausgangsspannungs-Steuertransistor Tr1 zur Steuerung eines Ausgangs-Stroms i- und damit einer Ausgangsspannung E«, einen Stromeinstellverstärker All, einen Spannungsfolger A12, der hier

-JO-

als Impedanzwandler dient, einen Spannungsfehler-Verstärker A13, einen Stromeinstellwert-Mischwiderstand RI1, einen Ausgangsstrom-Feststellwiderstand R15 und eine Zenerdiode ZD1 zum Zuführen einer Bezugsspannung. ·

Der Aufbau der Leistungsquellen 2 bis N ist identisch mit der vorgeschriebenen Anordnung der Leistungsquelle 1. Wenn eine Eingangsimpedanz der Stromfehler-Verstärker A11, Α2Ί ..., AN1 wesentlich größer ist als der Widerstand des Stromeinstellwert-Mischwiderstandes R11, R21, ... RN1 ist es nicht erforderlich,Spannungsfolger A12, A22, ... AN2 vorzusehen.

Wird nur eine der Leistungsquellen beispielsweise Lei- !5 stungsquelle 1 betrieben, dann kann ihr Ausgangssignal EÖ* durch folgende Gleichung dargestellt werden, die ähnlich derjenigen des bekannten Systems in Fig. 2 ist:

EÖ _s x ^VZD1 (2)

20

wobei V„_D1 die Zenerspannung der Zenerdiode ZD1 ist.

Verschiebt sich die Ausgangsspannung von diesem Wert, dann wird eine Ausgangsspannung V₁₁ entsprechend der Fehlerspannung als ein Stromeinstellwert an einer Ausgangsklemme an den Stromeinstellverstärker Al 1 über den Spannungsfehlerverstärker Al 3, den Widerstand R11 und den Spannungsfolger A12 angelegt. Ändert sich der Stromeinstellwert V₁₁ _₀ als Einstellwert des Ausgangsstromes um einen Betrag gleich dem Ausgangsspannungsfehler, dann steuert der Stromeinstell verstärker A11 den Transistor Tr1 derart, daß der Ausgangsstrom I. der Leistungsquelle, d.h. eine Feststellspannung

i.R.c- über dem Widerstand R₁₁- mit dem Stromeinstellwert lib Ib'

nr V. ₁ übereinstimmt. Somit wird der Spannungsfehler, d.h.

die Differenz zwischen der Ausgangsspannung und der Bezugsspannung ,durch Einstellen der Ausgangsspannung EO aufgeho-

ο δ. υ υ υ

ben. Ein am Widerstand R₁₅ auftretender Spannungsabfall, d.h. die festgestellte Spannung 1-,R₁₅, liegt im Bereich zwischen einigen zehn und 10OmV. Dies ist ausreichend klein,

verglichen mit der Ausgangsspannung EO und dem Ausgangs-5

spannungsfehler,und somit ist es möglich, eine unerwünschte Wirkung ,ausgeübt durch den Spannungsausfall auf den Feststellwert der Ausgangsspannung EO,zu vernachlässigen.

Es sei nun der Fall betrachtet, daß N-Leistungsquellen miteinander parallel geschaltet sind, wie dies Fig. 3 zeigt. Die Leistungsquellen, d.h. die Transistoren Tr1, Tr2 ... und TrN,werden so gesteuert, daß Ströme gleich den Stromeinstellwerten an den positiven Eingang der Stromeinstellverstärker A11, A21, ... AN1 angelegt werden, um die Ausgangsspannungen entsprechend einzustellen. Werden N-Leistur.gsquellen parallel betrieben, dann sind jedoch die Stromeinstellwerte,die den Stromfehlerverstärkern der Leistungsquellen zugeführt werden, von denjenigen verschieden, die beim Betrieb einer einzigen Leistungsquelle erzeugt werden. Diese Stromeinstellwerte ergeben sich durch Mischen und Mitteln der Stromeinstellwerte der Leistungsquellen über die Stromeinstellwert-Mischwiderstände Rl1, R21, ... und-RN1, die miteinander durch die gemeinsame Sammelte leitung B verbunden sind.

Werden die Stromeinstellwerte an einer Ausgangsklemme in den Leistungsquellen durch V.., V-₂, ... und V_iN und die Eingangsimpedanzen der Spannungsfolger durch Z.., Z^p > ... und Z.j, dargestellt, dann ist der Stromeinstellwert V. ₁ an einer Eingangsklemme, der dem Stromeinstellver-

IS I

stärker Al 1 der Leistungsquelle 1 zugeführt wird, definiert durch die Gleichung:

R21//R31// //RNI/Zi - Vi₁ (3)

isl " R21//R31// //RNI//Z1 + R11

+ R11//R31// //RN1//ZJ

R11//R31// //RNI//Z1 + R21

R11//R21// //R(N-I)1//Zi . Vi„

R11//R21// //R(N-I)1//Zi + RN1

wobei Z_± = Z _±1 1IZ^II . //Z_±N

1//R2 bedeutet (—= ^—\. ■ Gleichung (3) kann dann

nach dem Prinzip der überlagerung berechnet werden. Der Rechenvorgang soll nicht in seiner ganzen Länge und Voll-

ständigkeit beschrieben werden, er ist jedoch dem Fachmann wohlbekannt.

Ist R11 = R21 = = RN1 = R, und ist die Eingangsimpe-

danz jedes der Spannungsfolger A12, A22, ... und AN2 wesentlieh höher als der Widerstandswert R, dann kann die obige Gleichung umgeschrieben werden wie folgt:

^Visl = ^{N (V}i1 ^{+ V}i2 ⁺ ^{+ V}iN>

Somit ist der Stromeinstellwert an einer Eingangsklemme der Leistungsquelle 1 der Mittelwert der Stromeinstellwerte an den Ausgangsklemmen der Leistungsquellen. Da ferner der Stromeinstellwert aller Leistungsquellen 2 bis N 30

gleich dem Stromeinstellwert V. ₁ an einer Eingangsklemme

X 5 I

der Leistungsklemme ist, sind die Lasten der Leistungsquellen im Gleichgewicht. Somit ist der Temperaturanstieg bei allen Leistungsquellen der gleiche. Auch sind die Temperaturanstiege klein verglichen zu denjenigen bei dem Dioden-35

anpassungssystem. Es ergibt sich somit ein Parallelbetriebs-

ο ο / υ ο ο ο

system mit einem höheren Grad an Zuverlässigkeit:

Wird die Summe der Ausgangsströme der N-Leistungsquellen im Parallelbetrieb mit I bezeichnet, dann ist der Ausgangs wert jeder Leistungsquelle I/N. Wird eine der N-Leistungsquellen deaktiviert, dann erhöhen alle übrigen (N-1)-Leistungsquellen ihren Ausgangsstrom um I/N(N-1),um den Ausgangswert der deaktivierten Leistungsquellen zu kompensieren. Ist somit der Ausgangswert jeder der Leistungsquellen gleich

1 + I N(N-I ) + 1

1 _q

N N(N-D ⁼ N(N-D ^{K }}

dann wird eine Leistungsquelle bei ihrer Deaktivierung durch die anderen ersetzt. Wird die Anzahl N der Leistungsquellen, die parallel betrieben werden, weiter erhöht, dann ergibt sich ein sehr zuverlässiges Leistungsquellensystem. Selbst wenn mehrere Leistungsquellen deaktiviert werden, dann übernehmen die übrigen Leistungsquellen die Belastung.

Falls es nicht erforderlich ist, daß eine oder mehrere abschaltete Leistungsquellen durch die anderen ersetzt werden, dann kann das Leistungsquellensystem den maximalen Ausgang von N χ i (wobei i die Ausgangskapazität pro Leistungsquelle ist) abgeben. Somit kann die Ausgangskapazität des Leistungsquellensystems durch Hinzufügen von soviel Leistungsquellen erhöht werden, als erforderlich sind. Es ist auch möglich, die Ausgangskapazität des Leistungsquellensystems mit Übernahmefunktion zu erhöhen, wie dies zuvor beschrieben wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß bei dem erfindungsgemäßen System eine Vielzahl von Leistungsquellen von identischer Schaltungsanordnung parallel betrieben werden derart, daß die Zuverlässigkeit des Leistungsquellen-

'Jf-

systems verbessert und die Ausgangskapazität erhöht wird. Die Erfindung eliminiert die Schwierigkeiten, die sowohl dem üblichen Diodenanpassungssystem als auch dem bekannten Master-und Slave-System innewohnen.

Das technische Prinzip der Erfindung kann auf einen Schaltregler wie auf den zuvor beschriebenen Serienregler angewandt werden.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Paralleles Betriebssystem für stabilisierte Leistungsquellen mit einer Vielzahl von parallel zueinander geschalteten stabilisierten Leistungsquellen, wobei jede der Leistungsquellen eine Aüsgangsspannung und einen
Ausgangsstrom abgibt und jede gekennzeichnet ist durch:

eine Fehlerspannung-Feststellvorrichtung (A13 .-·) zum Vergleichen einer Bezugsspannung mit der Ausgangsspannung und Abgeben einer Fehlerspannung entsprechend der Differenz,

eine Ausgangsstrom-Feststellvorrichtung (R15 ...) zum Feststellen eines Ausgangsstroms der Leistungsquel-

le und zum Abgeben einer Feststellspannung entsprechend dem festgestellten Ausgangsstrom,

eine Stromeinstellvorrichtung (A12 ...) zum Ein- ° stellen des Ausgangsstroms der Leistungsquelle, so daß die Feststellspannung der Ausgangsstrom-Feststellvorrichtung (R15 .·.) gleich dem Stromeinstellwert ist, und

eine gemeinsame Sammelleitung (B), die die Ausgänge der Fehlerspannungs-FeststellvorrichtungenCAIS ) aller Leistungsquellen (1 ... N) verbindet, wobei deren Fehlerspannungen in der Sammelleitung (B) kombiniert werden, um einen gemittelten Stromeinstellwert zum Einstellen jedes der Stromeinstellwerte der Leistungsquellen zu erzeugen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstrom-Feststellvorrichtung einen Mischwiderstand (R15 .--), der zwischen die Fehlerspannungs-Feststellungvorrichtung (A13 -.-) und die gemeinsame Sammelleitung (B) geschaltet ist, sowie einen Spannungsfolger (A12 ...) aufweist, der zwischen die Sammelleitung (B) und die Stromeinstellvorrichtung (A12 ...) geschaltet ist.

3- System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gemittelte Stromeinstellwert V. _w für die Nten der Leistungsquellen definiert ist durch die Gleichung:

ν R11 //R21 // //RNI //Zi . Vi₁

isN ⁼ R11//R21// //RNI//Zi + R11

+ R11//R21// //RNI//Zi . Vi₃

R11//R21// //RNI//Z1 + R21

⁺ -··

R11//R21// //R(N-I)1//Zi

R11//R21// //R(N-I)1//Zi + RN1

JO ZÜÖÖD

wobei R11, R21 — RN1 die Widerstandswerte der Mischwiderstände der ersten, zweiten ... Nten Leistungsquellen, Zi = (ΖΪ1//Ζ12// ... ZiN) die kombinierte Eingangsimpedanz der Spannungsfolger (A12 ...) aller Spannungsquellen (1 ... N) und Vi1, Vi2 ... ViN die Fehlerspannungen aller Leistungsquellen (1 ... N) bedeuten.