DE3837071C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungssystem mit min­ destens zwei Netzteilen, deren Ausgänge parallel geschaltet sind und die gemeinsam eine Last speisen, wobei die Ausgangs­ leistung des jeweiligen Netzteils abhängig von der insgesamt an die Last abzugebenden Leistung sowie von einem jeweils vorgegebenen Anteil an der Gesamtleistung eingestellt wird.

Zur Versorgung hochwertiger elektronischer Geräte wie bei­ spielsweise Rechenanlagen oder Telekommunikationsanlagen mit elektrischer Energie werden häufig zwei oder mehrere Netzteile parallel geschaltet, um das Gerät oder allgemein die Last bei Ausfall eines der Netzteile alternativ aus den anderen zu speisen. Dadurch ist gewährleistet, daß die Span­ nungs- oder Stromversorgung empfindlicher Geräte auch in kritischen Betriebsphasen ohne Unterbrechung erfolgt. Unter Netzteilen sind hierbei sowohl Strom- als auch Spannungsver­ sorgungsmodule zu verstehen, deren Primärenergie entweder einem Wechselstromnetz einer Gleichspannungs- oder Gleich­ stromquelle entnommen wird.

Bei der Stromversorgung aus mehreren parallelgeschalteten Netzteilen können grundsätzlich zwei Betriebsmöglichkeiten unterschieden werden. Eine erste besteht darin, im Normal­ betrieb nur ein Netzteil zu aktivieren, das die volle Lei­ stung an die Last liefert, während die anderen Netzteile als Leistungsreserve vorgesehen sind und passiv bleiben und erst im Fehlerfall zugeschaltet werden. In diesem Falle wird das aktive Netzteil hoch beansprucht, was das Risiko eines Ausfalls erhöht. Bei der zweiten Betriebsmöglichkeit wird die insgesamt an die Last abzugebende Leistung gleichzeitig auf mehrere Netzteile verteilt, wobei die Leistungsauftei­ lung nach einem vorgegebenen Schlüssel erfolgt. Im allge­ meinen wird dabei eine gleichmäßige Belastung der Netzteile angestrebt. Wenn durch einen Defekt eines dieser Netzteile ausfällt, wird die Leistungsaufteilung entsprechend geän­ dert. Diese Betriebsmöglichkeit hat den Vorteil, daß die Netzteile im Normalbetrieb nur mit einem Bruchteil ihrer Nennleistung belastet werden, wodurch lastabhängige Fakto­ ren, die die Funktionstauglichkeit eines Netzteils beein­ trächtigen können, einen geringen Einfluß auf die Lebens­ dauer der Netzteile haben.

Obwohl ein Stromversorgungssystem aus Sicherheitsgründen mit mehreren Netzteilen ausgestattet ist, ist seine Zuverlässig­ keit nur dann voll gegeben, wenn alle Baugruppen ein­ wandfrei arbeiten. Dies bedeutet, daß bereits bei Ausfall eines der Netzteile die Funktionstüchtigkeit des Stromver­ sorgungssystems eingeschränkt ist und das defekte Netzteil repariert oder gegen ein neues ausgetauscht werden muß. Die mittlere Zeit zwischen zwei Ausfällen eines Stromversorgungs­ systems ist nach statistischen Überlegungen direkt abhängig von der Ausfallwahrscheinlichkeit seiner einzelnen Baugrup­ pen, d.h. von der Ausfallwahrscheinlichkeit und Zuverlässig­ keit der Netzteile.

Aus der Zuverlässigkeitstechnik ist bekannt, daß die mittle­ re Zeit zwischen zwei Ausfällen oder mittlere Brauchbarkeits­ zeit eines Netzteils mit zunehmender thermischer Belastung überproportional verkürzt wird. Die sich daraus ergebende maximale mittlere Brauchbarkeitszeit eines Stromversorgungs­ systems wird wegen der Abhängigkeit von der Ausfallwahr­ scheinlichkeit der einzelnen Netzteile demnach dann erreicht, wenn die Belastung der einzelnen Netzteile im Mittel minimal ist. Aus diesen Gründen hat auch die oben beschriebene zwei­ te Betriebsmöglichkeit des Stromversorgungssystems eine grö­ ßere mittlere Brauchbarkeitszeit als die erstgenannte.

Bei bekannten Stromversorgungssystemen wird aus diesen Über­ legungen heraus die Gesamtbelastung auf mehrere Netzteile durch Stromaufteilung verteilt. Hierzu wird der an die Last abgegebene Gesamtstrom, der zeitlich starken Schwankungen unterliegen kann, bestimmt und auf die Netzteile nach einem vorgegebenen Verhältnis aufgeteilt. Normalerweise erfolgt eine Aufteilung in gleiche Teile. Erzeugen die Netzteile nur eine Ausgangsspannung, so wird durch das Aufteilen des Stromes auch die Gesamtleistung im gleichen Verhältnis auf­ geteilt. Erzeugen die Netzteile jedoch jeweils mehrere Aus­ gangsspannungen, so ist für jede Spannung eine separate Lei­ stungsaufteilung der Netzteile durch Stromaufteilung vorzu­ nehmen, wodurch der Aufwand an Steuerung sehr groß wird.

Durch die Aufteilung des Gesamtstromes auf die parallelge­ schalteten Netzteile ist aber noch nicht sichergestellt, daß das Stromversorgungssystem eine geringe Ausfallwahrschein­ lichkeit hat, denn die für die thermische Belastung wesent­ lichen Einflußfaktoren, wie die in Wärme umgesetzte Verlust­ leistung im Netzteil, die Schwankungen der Primärspannung sowie konstruktive Einbauverhältnisse des Netzteils bleiben unberücksichtigt. Bei ungünstigen Betriebsbedingungen der Netzteile, beispielsweise hervorgerufen durch ungenügende Kühlung, hohe Umgebungstemperaturen oder unterschiedliche Wärmeübergangswiderstände zwischen Wärmequellen und Wärme­ senken, kann es vorkommen, daß die Netzteile auch bei gleichmäßiger Leistungsaufteilung thermisch unterschiedlich stark beansprucht werden und demzufolge ein erhöhtes Ausfall­ risiko haben. Dies kann insgesamt zu einer Verringerung der mittleren Brauchbarkeitszeit des Stromversorgungssystems führen.

Ein Stromversorgungssystem mit mehreren Netzteilen, deren Ausgänge parallel geschaltet sind und die eine gemeinsame Last speisen, ist aus der Zeitschrift Electronic Design 14. November 1985, S. 125 bis 132, bekannt. Die Ausgangsleistung des jeweiligen Netzteils hängt bei diesem Stromversorgungssystem zum einen ab von der insgesamt an die Last abzugebenden Leistung, die durch eine Referenzspannung vorgegeben wird, und zum anderen von Signalen von Stromsensoren, mit denen der vom jeweiligen Netzteil zu liefernde Anteil an der Gesamt­ leistung bestimmt wird. Dieses Stromversorgungssystem zeigt im Betrieb die zuvor bereits genannten Nachteile.

Ferner ist es aus der Zeitschrift industrie­ elektrik + elektronik, 1988, Nr. 3, S. 54 bis 55, be­ kannt, die Ausgangsleistung mehrerer Schaltregler mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen zu begrenzen, wenn die Gerätetemperatur einen vorgegebenen Grenzwert über­ steigt. Das Gerät wird dabei an seiner thermischen Belastungsgrenze betrieben und vor thermischer Überlastung geschützt. Die mittlere Brauchbarkeitszeit des Stromversorgungssystems wird dadurch nicht erhöht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die mittlere Zeit zwi­ schen zwei Ausfällen von Stromversorgungssystemen unter Einsatz einfacher Mittel zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird für ein Stromversorgungssystem eingangs genannter Art dadurch gelöst, daß die Ausgangsleistung des jeweiligen Netzteils zusätzlich abhängig von seiner Temperatur gere­ gelt wird.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß die Ausfallwahr­ scheinlichkeit von Bauelementen mit steigender Temperatur exponentiell zunimmt. Besonders kritische Bauelemente in einem Stromversorgungssystem und in den zugehörigen Netz­ teilen sind z.B. Leistungshalbleiter und Ladekondensatoren. Wird deren Temperaturbelastung minimiert, so wird auch deren Lebensdauer entsprechend erhöht, was sich auf die mittlere Brauchbarkeitszeit der Netzteile und damit auf die des gesamten Stromversorgungssystems günstig auswirkt. Durch die Einbeziehung der Temperatur als Kriterium bei der Leistungsaufteilung auf die einzelnen Netzteile wird eine unerwünschte einseitige Temperaturbelastung vermieden. Dabei wird berücksichtigt, daß die in einem Netzteil ent­ stehende Temperatur weniger von der abgegebenen Leistung, sondern vielmehr von der aktuellen Verlustleistung des Netzteils, die infolge Fertigungsstreuung auch unter Ge­ räten derselben Art schwanken kann, sowie von den momentan herrschenden Umgebungsbedingungen abhängt.

Die Regelung der Leistungsverteilung nach der Temperatur kann kontinuierlich oder auch intermittierend vorgenommen werden. In letzterem Fall wird die Abweichung der Isttempe­ ratur des Netzteils von einer Solltemperatur in vorgegebe­ nen Zeitabständen ermittelt, und die Ausgangsleistung des jeweiligen Netzteils wird entsprechend nachgeregelt. Dies ist dann vorteilhaft, wenn digitale Regelungsprinzipien eingesetzt werden.

Werden im Stromversorgungssystem Netzteile derselben Art parallel geschaltet, so ist es naheliegend, diese annähernd auf gleiche Temperaturwerte zu regeln, da auch die Abhängig­ keit der Ausfallwahrscheinlichkeit der einzelnen Bauelemente von der Temperatur in den betreffenden Netzteilen als gleich­ artig vorausgesetzt werden kann. Es ist aber auch möglich, Netzteile unterschiedlicher Art, die sich hinsichtlich ihrer Nennleistung oder ihrer Wärmebelastbarkeit unter­ scheiden, zu verwenden. In diesem Fall kann die Solltempe­ ratur der Netzteile unter Berücksichtigung des unterschied­ lichen Ausfallrisikos der Bauelemente von der Temperatur bei verschiedenen Netzteilen voneinander abweichen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt im geringen schal­ tungstechnischen Aufwand zur Realisierung der Leistungsver­ teilung abhängig von der Temperatur. Selbst bei Verwendung von Netzteilen mit mehreren Ausgangsspannungen oder Aus­ gangsströmen muß dieser nicht erhöht werden, da es nicht wie beim Stand der Technik erforderlich ist, die am jewei­ ligen Ausgang abgegebene Leistung zu bestimmen, weil mit der Temperatur als Regelgröße ein Parameter verwendet wird, bei dem die im Netzteil entstehende Verlustleistung über mehre­ re Leistungsregler gleichzeitig integral bewertet wird. Eine getrennte Bestimmung von Leistungsanteilen bezogen auf je­ weils einen Ausgang eines Netzteils kann somit entfallen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleistung des jeweiligen Netzteils abhängig vom Unterschied seiner Temperatur und der mittleren Temperatur aller Netzteile geregelt wird. Bei die­ ser Ausführungsform wird als Führungsgröße für die Regelung die mittlere Temperatur aller Netzteile verwendet, d.h. die Leistungsabgabe von Netzteilen wird so gesteuert, daß die Netzteile mit niedrigerer Temperatur als die mittlere Tem­ peratur eine höhere Leistung und umgekehrt die Netzteile mit höherer Temperatur einen entsprechend kleineren Betrag an Leistung an ihrem Ausgang abgeben. Durch dieses Regelungs­ prinzip streben die Netzteile einem mittleren Temperatur­ wert zu, der für eine an die Last über einen bestimmten Zeit­ raum abgegebene Gesamtleistung ein Minimalwert ist. Bei Änderung des Zeitmittelwertes der Gesamtleistung, z.B. in­ folge Laständerung, oder der Umgebungsbedingungen, z.B. in­ folge veränderter Umgebungstemperatur, stellt sich automa­ tisch eine neue mittlere Temperatur ein. Durch diese Art der Regelung wird insgesamt bewirkt, daß nach Ausgleich der Regelabweichungen alle Netzteile die gleiche mittlere Tem­ peratur haben. Die Bauelemente der Netzteile haben somit annähernd die gleiche Ausfallwahrscheinlichkeit, wodurch die mittlere Brauchbarkeitszeit des Stromversorgungssystems wei­ ter erhöht wird.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß im jeweiligen Netzteil die Temperatur mindestens eines Kühlkörpers erfaßt wird. Die in einem Netzteil ent­ stehende Verlustwärme wird normalerweise über Kühlkörper an die Umgebung abgeleitet. Am Kühlkörper stellt sich somit ein mittleres Temperaturniveau ein, das einerseits von der Wärme­ quelle, die z.B. ein Leistungshalbleiter sein kann, und an­ dererseits von den Umgebungsbedingungen, wie z.B. den Ein­ bauverhältnissen, des Netzteils bestimmt wird. Ein Kühlkör­ per ist deshalb besonders gut geeignet, um die charakteri­ stischen Temperaturverhältnisse eines Netzteils auf ein­ fache Weise anzugeben. Bei Geräten mit mehreren Ausgangs­ spannungen wird vorzugsweise ein gemeinsamer Kühlkörper für die Leistungshalbleiter verwendet. Es genügt dann, nur dessen Temperatur zu erfassen, um die Leistung des gesamten Netz­ teils regeln zu können.

Zur Temperaturerfassung ist vorzugsweise mindestens ein von einem Strom durchflossener temperaturabhängiger Widerstand vorgesehen, dessen Spannung oder Strom als Maß für die Tem­ peratur verwendet wird. Diese einfache Art der Temperatur­ erfassung kann bereits ausreichen, um eine Leistungsvertei­ lung abhängig von der Temperatur vorzunehmen, da es hierfür nicht erforderlich ist, die Temperatur der Netzteile in Ab­ solutwerten anzugeben. Auch ein linearer Zusammenhang zwi­ schen Temperatur und Widerstand muß nicht unbedingt gegeben sein, da lediglich Temperaturunterschiede ausgewertet werden. Solche Temperaturfühler sind in vielen Netzteilen bereits vorhanden, um eine Abschaltung bei Überhitzung infolge Lüf­ terausfall oder fehlender Kühlung zu ermöglichen und können für diese Maßnahmen verwendet werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein der Temperatur des jeweiligen Netzteils entsprechen­ des Signal erzeugt wird, das auf eine Sammelleitung ausge­ geben wird, an die jedes Netzteil angeschlossen ist, und daß die Sammelleitung in jedem Netzteil über einen Bezugs­ widerstand gegen Masse geschaltet ist.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß sich auf der Sam­ melleitung ein Signalpegel einstellt, der, wie noch erläu­ tert wird, der mittleren Temperatur aller an die Sammellei­ tung angeschlossenen Netzteile entspricht. Der Signalpegel ist dabei unabhängig von der Zahl der Netzteile, was durch die Parallelschaltung der Bezugswiderstände bewirkt wird. Zweckmäßigerweise wird als Signal ein Stromsignal vorgese­ hen, dessen Amplitude der Temperatur des jeweiligen Netz­ teils entspricht. Dann gilt bei einem Stromversorgungssy­ stem, das nur aus einem einzigen Netzteil besteht, für die Spannung U am Bezugswiderstand R bei einem temperaturab­ hängigen Strom mit Amplitude I die einfache Gleichung U=R I. Wird ein Stromversorgungssystem mit n Netzteilen verwendet, so werden auf die Sammelleitung die Stromsignale I 1, I 2, . . ., In ausgegeben. Der sich auf der Sammelleitung addierende Gesamtstrom ruft an den n parallel geschalteten Bezugswider­ ständen , die einen Gesamtwiderstand R/n haben, einen Span­ nungsabfall U=(I 1 + I 2 + . . . + In)R/n hervor. Dieser Span­ nungsabfall entspricht der mittleren Temperatur aller Netz­ teile, die, wie bereits erwähnt, als Führungsgröße zum Re­ geln der Ausgangsleistung der Netzteile verwendet werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die einen Lei­ stungsregler steuert, der die Ausgangsleistung des jeweili­ gen Netzteils einstellt, und daß der Regeleinrichtung als Sollwert ein der Solltemperatur entsprechendes Signal und als Istwert ein der Isttemperatur des jeweiligen Netzteils entsprechendes Signal zugeführt wird.

Konventionelle Netzteile enthalten einen Leistungsregler, der die an ihrem Ausgang gewünschte Größe, z.B. Spannung oder Strom, unabhängig von Laständerungen konstant hält. Bei einem Netzteil, dessen Ausgangsgröße auf konstante Span­ nung geregelt wird, kann ein solcher Leistungsregler aus einem Längsregler bestehen, der die Ausgangsspannung mit einer fest vorgegebenen Sollspannung vergleicht und bei Ab­ weichungen die Ausgangsspannung nachstellt. Werden zwei solche Netzteile zum Speisen einer gemeinsamen Last an ihrem Spannungsausgang parallel geschaltet, so reichen wegen der kleinen Innenwiderstände der Netzteile bereits sehr kleine Spannungsunterschiede zwischen den Ausgangsspannungen aus, um eine unterschiedliche Stromabgabe und damit eine unter­ schiedliche Leistungsaufteilung zu bewirken. Dieser Effekt wird bei der vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung ge­ nutzt, indem der Regler, der eine Soll-Istwertabweichung der Temperatur feststellt, den Leistungsregler so ansteuert, daß dieser seine Ausgangsspannung und damit seine Leistungs­ abgabe ändert. Wenn beispielsweise die Isttemperatur kleiner als die Solltemperatur des Netzteils ist, wird der Leistungs­ regler veranlaßt, eine höhere Spannung abzugeben. Die Folge davon ist, daß der Ausgangsstrom des Netzteils ansteigt und damit die Verlustleistung größer wird. Diese erwärmt das Netzteil so lange, bis die Isttemperatur gleich der Soll­ temperatur und der Regelvorgang abgeschlossen ist. Bei grö­ ßerer Isttemperatur als die Solltemperatur wird ein Regelvor­ gang in umgekehrter Richtung gestartet. Diese Art der Rege­ lung kann auf beliebig viele parallel geschaltete Netzteile angewendet werden. Auch ist dieses Prinzip nicht nur auf spannungsgeregelte Netzteile beschränkt, sondern ebenso für stromgeregelte Netzteile mit den entsprechend angepaßten Leistungsreglern verwendbar.

In einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß als Sollwert die Spannung des Bezugswiderstandes und als Istwert eine der Temperatur des jeweiligen Netzteils entsprechende Spannung zugeführt wird. Wie bereits beschrieben, entspricht der Si­ gnalpegel der Sammelleitung der mittleren Temperatur aller Netzteile. Durch diese Maßnahmen wird eine sehr einfache Regeleinrichtung geschaffen, bei der die in einem Stromver­ sorgungssystem enthaltenen Netzteile nach Abklingen der Regelvorgänge die gleiche zu einer bestimmten Gesamtleistung gehörende Temperatur haben.

Besonders vorteilhaft läßt sich das vorstehend erläuterte Regelprinzip verwirklichen, wenn die Regeleinrichtung einen PI-Regler enthält, dessen Zeitkonstante größer als die thermische Zeitkonstante des Kühlkörpers ist. Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, daß der geschlossene Regel­ kreis auch in kritischen Betriebsphasen nicht zum Schwingen neigt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann so aufge­ baut sein, daß zum Regeln der Ausgangsspannung oder des Aus­ gangsstromes des jeweiligen Netzteils eine steuerbare Refe­ renzspannungsquelle vorgesehen ist, die einen Sollwert er­ zeugt und deren Spannung in vorgegebenen Grenzen durch die Regeleinrichtung verstellbar ist. In herkömmlichen Netztei­ len werden Referenzspannungsquellen dazu verwendet, einen genau festgelegten Sollwert vorzugeben, auf den die Aus­ gangsgröße des Netzteils zu regeln ist. Durch die Verwen­ dung einer steuerbaren Referenzspannungsquelle, deren Span­ nung durch die Regeleinrichtung verändert werden kann, ist eine besonders einfache Möglichkeit gegeben, die Ausgangs­ größe des Netzteils und damit indirekt die in ihm entstehen­ de Wärmemenge zu steuern. Damit kann auch die Isttemperatur des Netzteils auf vorgegebene Werte nachgeregelt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Stromversorgungssystem in Blockdarstel­ lung mit drei einen gemeinsamen Ausgang spei­ senden Netzteilen,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen der Temperatur in einem Netzteil sowie zum Regeln der Ausgangsleistung.

In Fig. 1 ist ein Stromversorgungssystem dargestellt, das aus drei gleichartig aufgebauten Netzteilen 10, 12, 14 be­ steht, deren Ausgänge 16, 18, 20 miteinander verbunden sind und gemeinsam eine Last 22 speisen. Die Last 22 kann durch ein oder mehrere beliebige elektrische Geräte realisiert sein, jedoch ist ein solches Stromversorgungssystem insbe­ sondere für Anwendungen höchster Zuverlässigkeit vorgesehen, beispielsweise im Bereich der Datenverarbeitungstechnik oder der Telekommunikationstechnik.

Die Netzteile 10, 12, 14 werden an entsprechend bezeichneten Eingängen mit einer ungeregelten Gleichspannung Ue versorgt; es ist aber auch möglich, Netzteile zu verwenden, die direkt an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen werden können. Die Netzteile 10, 12, 14 sind so ausgelegt, daß bei Ausfall eines der drei Netzteile die verbleibenden Netzteile die für die Last 22 benötigte Gesamtleistung liefern können.

Da die Netzteile 10, 12, 14 gleichartig aufgebaut sind, wird im folgenden lediglich das Netzteil 10 ausführlicher beschrieben. Im Netzteil 10 ist ein Leistungsregler 24 an­ geordnet, der als Schaltregler oder als Längsregler ausge­ bildet sein kann. Er erzeugt aus der ungeregelten Gleich­ spannung Ue eine geregelte Ausgangsspannung, die am Ausgang 16 abgegeben wird. Der Leistungsregler 24 kann aus mehreren parallel geschalteten Leistungshalbleitern, wie beispiels­ weise bipolare Transistoren, Freilaufdioden, Entkopplungsdioden oder Gleichrichterdioden bestehen, die gemeinsam auf einen Kühlkörper montiert sind. Dieser wird durch die Verlustleistung der Leistungshalblei­ ter erwärmt und führt die Wärme an die Umgebung ab. Am Kühl­ körper stellt sich nach einer Zeit, in der Ausgleichsvor­ gänge der Wärmeaufnahme und der Wärmeabgabe abgeklungen sind, eine Temperatur ein, die zwischen der Temperatur der Lei­ stungshalbleiter und der Umgebungstemperatur liegt. Ein Tem­ peraturfühler 26 erfaßt die Temperatur des Kühlkörpers und gibt am Eingang des Verstärkers 28 ein dieser Temperatur entsprechendes Signal ab. Dieses wird am Ausgang 30 auf eine Sammelleitung 31 ausgegeben. Wie noch beschrieben wird, stellt sich auf der Sammelleitung 31 ein Signal Us ein, des­ sen Pegel der mittleren Temperatur aller an die Sammellei­ tung 31 angeschlossenen Netzteile 10, 12, 14 entspricht.

Das Signal Us wird an den einen Eingang der Regeleinrichtung 32 gelegt, die die aktuelle Temperatur am Ausgang des Tem­ peraturfühlers 26 mit dem Signal Us vergleicht. Das Signal Us entspricht im regelungstechnischen Sinne dem Sollwert, das Signal des Temperaturfühlers 26 dem Istwert. Weichen Sollwert und Istwert voneinander ab, so gibt die Regelein­ richtung 32 ein Ausgangssignal an eine steuerbare Referenz­ spannungsquelle 34 ab, deren Ausgangssignal wiederum auf den Leistungsregler 24 im Sinne einer Sollwertvorgabe ein­ wirkt. Der Leistungsregler 24 regelt die Ausgangsspannung an der Klemme 16 entsprechend diesem Sollwert nach.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Leistungsregelung des Netzteils 10 sei angenommen, daß der Pegel des Signals Us größer als der Pegel des Signals des Temperaturfühlers 26 ist, d.h. die Temperatur des Kühlkörpers des Leistungsreg­ lers 24 ist niedriger als die mittlere Temperatur aller Netzteile. Um die Soll-Istwertabweichung auszugleichen, ist die Verlustleistung des Leistungsreglers 24 zu erhöhen. Die Regeleinrichtung 32 erzeugt hierzu entsprechend der festge­ stellten Soll-Istwertabweichung ein Ausgangssignal, das die steuerbare Referenzspannungsquelle 34 zur Abgabe einer höhe­ ren Sollwertspannung veranlaßt. Dadurch wird beim Leistungs­ regler 24 ein Regelvorgang ausgelöst, der die Ausgangsspan­ nung an der Klemme 16 erhöht. Dies führt gleichzeitig zu einer Stromerhöhung im Leistungsregler 24, wodurch auch seine abgegebene Leistung, die das Produkt aus Spannung und Strom ist, ansteigt. Dieser Regelmechanismus ist so empfind­ lich, daß bereits eine sehr kleine Spannungserhöhung zu ei­ nem großen Strom führen kann. Infolge der erhöhten Leistungs­ abgabe erhöht sich auch die Verlustleistung des Netzteils 10, insbesondere aber die der Leistungshalbleiter, wodurch die Temperatur des Kühlkörpers ansteigt. Dieser Regelvorgang dauert so lange an, bis die an der Regeleinrichtung 32 vorlie­ gende Soll-Istwertabweichung Null ist. Dies ist dann der Fall, wenn die aktuelle Temperatur des Netzteils gleich der mittleren Temperatur aller Netzteile ist. Eine höhere Ist­ temperatur als die mittlere Temperatur des Netzteils 10 löst einen Regelvorgang aus, der in umgekehrter Richtung wirkt.

Da die von den Netzteilen 10, 12, 14 in einem Zeitabschnitt insgesamt an die Last 22 abgegebene elektrische Leistung praktisch konstant bleibt, bewirkt eine Leistungsumvertei­ lung von einem Netzteil zu einem anderen, daß sich auch die Temperaturen der anderen Netzteile ändern. Die Verteilung der Lei­ stung auf die verschiedenen Netzteile nach dem beschriebe­ nen Regelprinzip bewirkt somit, daß sich nach Abklingen der Regelvorgänge eine mittlere Temperatur aller Netzteile ein­ stellt, die bei einem vorgegebenen Betriebszustand, unter Einbeziehung der abgegebenen Gesamtleistung sowie der Um­ gebungsbedingungen, die kleinstmögliche Temperatur einstellt.

Der Steuerbereich der Referenzspannungsquelle 34 ist auf einen Bereich eingeschränkt, der durch Grenzwerte des Netz­ teils 10 vorgegeben ist, wie beispielsweise durch die ma­ ximale Leistung sowie Strom- und Spannungsgrenzwerte. Die Regelvorgänge führen somit zu keiner Überschreitung der maximal zulässigen Grenzwerte.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Stromver­ sorgungssystems kann auch für Netzteile, die mehrere Span­ nungen erzeugen, erweitert werden. Hierzu sind im Netzteil eine entsprechende Zahl von Leistungsreglern nach Art des Leistungsreglers 24 vorzusehen. Die Leistungshalbleiter dieser Leistungsregler sind üblicherweise auf einem gemein­ samen Kühlkörper montiert, und die Leistungsregler werden aus einer einzigen Referenzspannungsquelle mit Sollwerten versorgt. In diesem Fall reicht es aus, wie bereits be­ schrieben, die Temperatur dieses Kühlkörpers zu erfassen und die Referenzspannungsquelle abhängig von der Soll-Ist­ wertabweichung der Temperatur zu steuern. Dadurch wird die Leistungsverteilung bei Netzgeräten mit mehreren Spannungs­ ausgängen ohne Erhöhung des Steuerungsaufwandes möglich.

In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Lei­ stung des Netzteils 10 abhängig von seiner Temperatur in einer genaueren Darstellung wiedergegeben. Ebenso sind re­ levante Teile der Netzteile 12, 14 dargestellt, an denen die Bildung der mittleren Temperatur erläutert wird. Zur besseren Übersicht wurde auf die Wiedergabe des zum Netzteil 10 gehörenden Leistungsreglers 24 verzichtet.

Ein temperaturabhängiger Widerstand 40 ist in einer Brücken­ schaltung mit Widerständen 42, 44, 46 angeordnet. Er erfaßt die Temperatur eines nicht dargestellten Kühlkörpers, auf dem Leistungshalbleiter des Leistungsreglers 24 (siehe Fig. 1) montiert sind. Der Widerstand 40 kann auch an anderen Stel­ len des Netzteils 10 angeordnet sein, um ein die Temperatur des Netzteils 10 kennzeichnendes Signal zu erzeugen. Ebenso ist es möglich, mehrere Temperaturfühler, die nicht unbe­ dingt temperaturabhängige Widerstände nach Art des Wider­ stands 40 sein müssen, an verschiedenen Stellen des Netz­ teils 10 anzuordnen und deren Signale so auszuwerten, daß eine für das Netzteil charakteristische mittlere Temperatur bestimmt wird.

Die Brückenschaltung wird aus einer geregelten Spannung Ub des Netzteils versorgt. Ihre Diagonalspannung wird über Widerstände 48, 50 einem Operationsverstärker 52 zuge­ führt, der als Differenzverstärker arbeitet und in seinem Rückkopplungszweig einen Widerstand 54 zum Einstellen des Verstärkungsfaktors hat. Die Ausgangsspannung des Operati­ onsverstärkers 52 erzeugt einen Strom I 1, der durch eine Entkopplungsdiode 56 und einen Widerstand 58 fließt und sich am Knotenpunkt 59 aufteilt. Ein Teil des Stromes wird durch einen Bezugswiderstand 60 des Netzteils 10 geleitet, der andere Teil fließt über die Sammelleitung 31 und über paral­ lel geschaltete Bezugswiderstände 64, 66 der Netzteile 12 und 14 gegen Masse ab. Die Bezugswiderstände 60, 64, 66 haben gleiche Widerstandswerte.

Die Temperaturerfassung in den Netzteilen 12, 14, bei denen die Ströme I 2 bzw. I 3 erzeugt werden, erfolgt in der gleichen Weise wie beim Netzteil 10. Im folgenden wird gezeigt, daß bei dieser Art der Zusammenschaltung der Netzteile 10, 12, 14 über die Sammelleitung 31 sich auf dieser eine Spannung Us einstellt, deren Pegel der mittleren Temperatur aller an die Sammelleitung 31 angeschlossenen Netzteile entspricht.

Zum besseren Verständnis sei angenommen, daß nur das Netz­ teil 10 an die Sammelleitung 31 angeschlossen ist. Dann fließt durch den Widerstand 60 der volle Strom I 1, dessen Amplitude von der über den Widerstand 40 erfaßten Temperatur des Netzteils 10 abhängt. Der vom Strom I 1 hervorgerufene Spannungsabfall Us am Bezugswiderstand 60 ist somit ein Maß für die Temperatur des Netzteils 10. Wird nun zusätzlich das Netzteil 12 an die Sammelleitung 31 angeschlossen, so reduziert sich der Gesamtwiderstand, mit dem die Sammellei­ tung 31 gegen Masse abgeschlossen ist, wegen der Parallelschal­ tung der Bezugswiderstände 64, 66 auf den halben Wert. In die Sammelleitung 31 wird der Summenstrom I = I 1 + I 2 einge­ speist, und es stellt sich auf der Sammelleitung 31 eine Spannung Us = (I 1 + I 2) R/2 ein, wobei R der Widerstands­ wert des Bezugswiderstandes 60 bzw. 64 ist. Allgemein gilt für eine Anzahl n von Netzteilen, die auf diese Art zusam­ mengeschaltet sind, daß sich auf der Sammelleitung 31 eine Spannung Us einstellt, wobei gilt

Us = (I 1 + I 2 + . . . + In) R/n.

Der Ausdruck (I 1 + I 2 + . . . + In) R/n stellt eine Mittel­ wertbildung über n Ströme dar, wobei die Zahl n beliebig groß sein darf. Dies bedeutet, daß die Spannung Us auf der Sammelleitung 31 unabhängig von der Zahl angeschlossener Netzteile den über alle Netzteile gemittelten Temperatur­ werten entspricht.

Über die Sammelleitung 31 erhält jedes Netzteil Informati­ onen über die mittlere Temperatur aller Netzteile, die als Führungsgröße oder variabler Sollwert für die Regelung der Ausgangsleistung des jeweiligen Netzteils verwendet wird. Im Netzteil 10 wird die Spannung Us über einen Widerstand 70 einem Operationsverstärker 72 an seinem nicht invertieren­ den Eingang zugeführt. Dieser Eingang ist über einen Wider­ stand 74 auch mit der Spannung Ub verbunden, wodurch ein an der Entkopplungsdiode 56 entstehender Spannungsabfall ausge­ glichen wird und der Arbeitspunkt am Operationsverstärker 72 eingestellt wird. Das der Isttemperatur des Netzteils 10 entsprechende Signal am Ausgang des Operationsverstärkers 52 wird über einen Widerstand 76 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 72 gelegt. Dieser ist als Regel­ verstärker mit PI-Verhalten geschaltet, dessen Verstärkungs­ faktor durch die Widerstände 78 und 80 eingestellt wird. Das Zeitverhalten des Regelverstärkers 72 wird durch die Zeit­ konstante im Rückkopplungszweig bestimmt, die sich aus dem Kondensator 82 und dem Widerstand 78 ergibt. Die Zeitkon­ stante wird so eingestellt, daß sie größer als die thermi­ sche Zeitkonstante des Kühlkörpers des Leistungsreglers ist. Durch diese Maßnahme wird vermieden, daß der geschlossene Regelkreis schwingt.

Dem Operationsverstärker 72 ist eine steuerbare Referenz­ spannungsquelle 84 nachgeschaltet, die über einen Wider­ stand 86 mit der Versorgungsspannung Ue verbunden ist. Die Referenzspannungsquelle 84 erzeugt eine Sollspannung 88, die dem in Fig. 2 nicht dargestellten Spannungsregler zuge­ führt wird, der die Ausgangsspannung des Netzteils 10 mit dieser Sollspannung 88 vergleicht und bei Abweichungen die Ausgangsspannung entsprechend nachregelt. Die Referenzspan­ nungsquelle 84 hat einen Steuereingang 90, über den die Sollspannung 88 spannungsgesteuert innerhalb enger vorgege­ bener Grenzen verändert werden kann. Die einen Spannungs­ teiler zwischen der Sollspannung 88 und dem Bezugspotential bildenden Widerstände 92, 94 dienen zur Grundeinstellung der Referenzspannungsquelle 84. Der Abgriff dieses Spannungs­ teilers ist mit dem Steuereingang 90 und über einen Wider­ stand 96 mit dem Operationsverstärker 72 verbunden.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Regeleinrichtung des Netzteils 10 in drei Betriebsphasen erläutert. In der Betriebsphase 1 sei die Isttemperatur gleich der mittleren Temperatur, d.h. die Pegel der Ausgangsspannung des Opera­ tionsverstärkers 52 und der Spannung Us stimmen überein. Dann liegt am Ausgang des Operationsverstärkers 72 eine durch die Ladung des Kondensators 82 bestimmte Spannung an, durch die die Referenzspannungsquelle 84 auf einen bestimmten Wert eingestellt wird. Der ihr nachgeschalte­ te Leistungsregler regelt die Ausgangsspannung des Netz­ teils 10 auf einen durch die Sollspannung 88 vorgegebenen Wert, bei dem gerade so viel Verlustleistung im Netzteil 10 erzeugt wird, daß seine Temperatur genau der mittleren Temperatur aller Netzteile entspricht.

Für eine zweite Betriebsphase wird angenommen, daß die im Netzteil erzeugte Verlustwärme so klein ist, daß seine Ist­ temperatur niedriger als die mittlere Temperatur ist. In diesem Fall wird der Operationsverstärker 72 entsprechend seinem Zeitverhalten so gesteuert, daß an seinem Ausgang eine positivere Spannung abgegeben wird, welche die Sollspan­ nung 88 der Referenzspannungsquelle 84 geringfügig erhöht. Der von der Referenzspannungsquelle 84 angesteuerte Span­ nungsregler wird dadurch veranlaßt, seine Ausgangsspannung um diesen Wert zu erhöhen, wobei wegen des geringen Innen­ widerstandes des Netzteils 10 bereits eine kleine Spannungs­ zunahme den Ausgangsstrom deutlich erhöht. Dadurch nimmt auch die vom Netzteil 10 abgegebene Leistung zu, die das Produkt aus Spannung und Strom ist, ebenso die Verlustlei­ stung des Netzteils 10. Durch letztere wird der Kühlkörper des Leistungsreglers erwärmt. Wenn dessen Temperatur die mittlere Temperatur aller Netzteile erreicht, ist der Re­ gelvorgang abgeschlossen.

Bei der dritten Betriebsphase, die durch eine gegenüber der mittleren Temperatur höhere Isttemperatur gekennzeichnet ist, läuft der Regelvorgang in umgekehrter Richtung wie für die Betriebsphase 2 beschrieben ab.

Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Stromversorgungssystems ist nur für eine Ausgangsspannung ausgelegt. Das hier beschriebene Prinzip läßt sich aber, wie bereits erwähnt, auch auf Stromversorgungssysteme mit mehreren geregelten Ausgangsspannungen oder Ausgangsströ­ men anwenden, wobei eine der Zahl der Ausgangsspannungen bzw. Ausgangsströme entsprechende Zahl von Leistungsreglern vorzusehen ist. Die Sollwerte können dabei aus einer einzi­ gen Referenzspannungsquelle abgeleitet werden. Wenn die Leistungshalbleiter der verschiedenen Leistungsregler auf einem einzigen Kühlkörper montiert sind, so reicht es aus, die unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschriebene Lei­ stungsregelung abhängig von der Temperatur für jedes Netz­ teil nur einmal vorzusehen.

Claims (11)

1. Stromversorgungssystem mit mindestens zwei Netzteilen, deren Ausgänge parallel geschaltet sind und die gemein­ sam eine Last speisen, wobei die Ausgangsleistung des jeweiligen Netzteils abhängig von der insgesamt an die Last abzugebenden Leistung sowie von einem jeweils vor­ gegebenen Anteil an der Gesamtleistung eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs­ leistung des jeweiligen Netzteils (10, 12, 14) zusätzlich abhängig von seiner Temperatur geregelt wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausgangsleistung des jeweiligen Netzteils (10, 12, 14) abhängig vom Unterschied seiner Temperatur und der mittleren Temperatur aller Netzteile geregelt wird.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im jeweiligen Netzteil (10, 12, 14) die Temperatur mindestens eines Kühlkörpers erfaßt wird.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Temperaturerfassung mindestens ein von einem Strom durchflossener temperatur­ abhängiger Widerstand (40) vorgesehen ist, dessen Span­ nung oder Strom als Maß für die Temperatur verwendet wird.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß ein der Temperatur des jeweiligen Netzteils (10, 12, 14) entsprechendes Signal erzeugt wird, das auf eine Sammelleitung (31) ausgegeben wird, an die jedes Netzteil (10, 12, 14) angeschlossen ist, und daß die Sammelleitung (31) in jedem Netzteil (10, 12, 14) über einen Bezugswiderstand (60, 64, 66) gegen Masse ge­ schaltet ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß als Signal ein Stromsignal (I 1, I 2, I 3, I 4) vorgesehen ist, dessen Amplitude von der Temperatur ab­ hängt.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung (32, 72) vorgesehen ist, die einen Leistungsregler (24) steuert, der die Ausgangsleistung des jeweiligen Netz­ teils (10) einstellt, und daß der Regeleinrichtung als Sollwert ein der Solltemperatur entsprechendes Signal (Us) und als Istwert ein der Isttemperatur des jeweiligen Netz­ teils (10) entsprechendes Signal zugeführt wird.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß als Sollwert die Spannung (Us) des Bezugswider­ standes (60) und als Istwert eine der Temperatur des je­ weiligen Netzteils entsprechende Spannung zugeführt wird.

9. System nach einem der Ansprüche 3 bis 6 und 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Regeleinrich­ tung (32, 72) einen PI-Regler hat, dessen Zeitkonstante größer als die thermische Zeitkonstante des Kühlkörpers ist.

10. System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Regeln der Ausgangs­ spannung oder des Ausgangsstroms des jeweiligen Netzteils (10, 12, 14) eine steuerbare Referenzspannungsquelle (34, 84) vorgesehen ist, die einen Sollwert (88) erzeugt und deren Spannung (88) in vorgegebenen Grenzen durch die Regeleinrichtung (32, 72) verstellbar ist.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Netzteil mit meh­ reren Ausgangsspannungen bzw. Ausgangsströmen, das eine entsprechende Zahl von Leistungsreglern mit Leistungs­ halbleitern hat, die Leistungshalbleiter zusammen auf einem Kühlkörper montiert sind.