Vorteile der konstanten Spannungs- und Strombereiche bei DC-Netzteilen

Was ist Constant Power und wie funktioniert es?

Programmierbare DC-Stromversorgungen wurden in der Vergangenheit durch eine punktbezogene Ausgangsleistung in Watt gekennzeichnet. Punktbezogene Leistung bedeutet, dass die maximal verfügbare Ausgangsleistung des Netzteils nur in einem Betriebspunkt verfügbar ist. Dieser Leistungsausgangspunkt ist der Punkt, an dem sich sowohl die Gleichspannung als auch der Gleichstromausgang an der maximalen Einstellung ihres jeweiligen verfügbaren Bereichs befinden. So kann beispielsweise ein 10-kW-Netzteil mit einem Spannungsbereich von 0 bis 250 VDC nur dann 10 kW Ausgangsleistung liefern, wenn der Laststrom 40 ADC beträgt. Diese Art der Entwicklung programmierbarer DC-Stromversorgungen hat für den Endbenutzer zwei Auswirkungen:

1. Das gewählte Netzteil muss immer größer dimensioniert sein als der tatsächliche Leistungsbedarf des zu prüfenden Geräts. Daher wird das Netzgerät meist unterhalb seiner maximalen Leistung, Spannung und/oder Stromstärke verwendet.

2. Nach der Auswahl ist der Bereich der Anwendungen, für die die Gleichstromversorgung verwendet werden kann, sowohl durch die Leistung als auch durch den Spannungsbereich begrenzt. Im vorangegangenen Beispiel kann das 250-VDC-Netzteil nicht für Anwendungen verwendet werden, die mehr als 250 VDC Ausgangsspannung erfordern.

Aufgrund dieser Punktbewertung bieten die Hersteller programmierbarer Stromversorgungen eine große Anzahl von Spannungsbereichsmodellen in einer bestimmten Stromversorgungsmodellreihe an, manchmal bis zu 20 verschiedene Spannungsbereiche in einer Modellreihe. Dies schränkt natürlich ihre Fähigkeit ein, von den Größenvorteilen bei der Herstellung zu profitieren, was zu hohen Produktkosten und damit zu hohen Endverbraucherpreisen führt. Die Endverbraucher mussten jahrzehntelang mit diesen Einschränkungen leben, aber neue Entwicklungen in der Stromwandlertechnologie beseitigen einige dieser Beschränkungen.

Konstanter Leistungsbereich Design

Abbildung 1: DCS360-80-4 DC-Netzteil

Durch den Einsatz von Präzisionsschaltungen und hochauflösender Steuer- und Messtechnik zwingen die modernsten programmierbaren Netzteile den Endnutzer nicht mehr dazu, aus einer breiten Palette von Modellen mit Punktwerten auszuwählen. Stattdessen bieten diese neuen Stromversorgungen einen größeren Spannungs- und Strombereich - in einigen Fällen mit einem Verhältnis von drei zu eins für beide - bei einem bestimmten Leistungsniveau. Ein gutes Beispiel hierfür sind die programmierbaren DC-Netzgeräte mit konstanter Leistung der Serie DCS von Adaptive Power Systems. Die Spannungs- und Strombereiche der DCS-Netzgeräte sind nicht durch einen einzigen Sollwert für die maximale Ausgangsleistung definiert, sondern über einen breiten Einstellbereich verfügbar. Das 10kW-Modell DCS360-80 beispielsweise bietet einen Spannungsbereich von 0 ~ 360Vdc und unterstützt gleichzeitig einen Strombereich von 0 ~ 360Adc, und das bei einer maximalen Ausgangsleistung von 10kW. Somit kann es problemlos die ursprüngliche Anforderung aus Abschnitt 1.0 für 250Vdc @ 40Adc erfüllen, aber auch einen 360Vdc-Ausgang bei 10.000/360 oder 27,78Adc und eine 166,67Vdc @ 60Adc-Anforderung. Somit unterstützt ein und dasselbe Gleichstromnetzteil eine viel breitere Palette von Anwendungen.

Diese Fähigkeit ist in Abbildung 2 unten dargestellt. Der graue Bereich zeigt den Betriebsbereich einer 10-kW-Punktversorgung, der deutlich kleiner ist als der des DCS-Modells mit gleicher Leistung.

Abbildung 2: DCS-Serie Konstante Leistung Auto-Ranging

Kosteneinsparungen durch Gleichstromversorgungen mit konstantem Leistungsbereich

Diese erhöhte Flexibilität kann zu erheblichen Kosteneinsparungen im Vergleich zur Verwendung "herkömmlicher" programmierbarer Gleichstromversorgungen führen. Dies gilt insbesondere für moderne elektronische Prüflinge wie DC/DC-Wandler, die häufig einen großen DC-Eingangsbereich unterstützen. Um die Entwicklung und Prüfung solcher Geräte mit einem großen Betriebsbereich zu unterstützen, mussten die Endbenutzer in der Vergangenheit die Leistung der verwendeten Gleichstromversorgung stark überdimensionieren, um alle Einstellungen abzudecken. Dies führt dazu, dass die Gleichstromversorgung aufgrund ihrer mangelnden Flexibilität überwiegend weit unter ihrer maximalen Leistungsfähigkeit eingesetzt wird. Wir wollen dies an einem Beispiel verdeutlichen.

Beispiel 1: Prüfung von DC/DC-Wandlern für die Telekommunikation

Abbildung 3: 1600W DC/DC-Wandler

Im ersten Beispiel wird ermittelt, welche Einstellungen erforderlich sind, um alle DC-Eingangsbereiche eines typischen DC/DC-Wandlers für die Telekommunikation zu testen. Als Beispiel wird ein MegaPAC-Wandler von Vicor verwendet, der sieben verschiedene DC-Eingangsbereiche hat (siehe Abbildung 3). Die entsprechenden nominalen Eingangsspannungen sowie die Testwerte für den unteren und oberen Grenzbereich sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: DC/DC-Wandler Eingangsspannungsbereiche

Die kostengünstigste Art der Prüfung ist die Verwendung eines einzigen programmierbaren DC-Netzteils, das alle Eingangsspannungs- und Stromeinstellungen unterstützt. Das bedeutet, dass wir ein 100-V-Gleichstromnetzteil benötigen, das 160 A Strom unterstützt. Dies wird durch die niedrigen Grenzwerte für die verschiedenen Prüfbereiche in Tabelle 2 belegt.

Tabelle 2: Erforderliche Prüfspannungen und -ströme nach Bereich

Die meisten Hersteller programmierbarer DC-Netzteile bieten ein 100-VDC-Modell an, aber wir müssen sicherstellen, dass wir 160 Adc bei 10 VDC erhalten können, was 10 % des Spannungsbereichs des Netzteils entspricht. Ein 15-kW-Netzteil, wie es von mehreren Herstellern angeboten wird, unterstützt nur maximal 150 Adc, so dass wir die nächste verfügbare Leistungsstufe wählen müssen, die im Allgemeinen 20 kW beträgt. Damit verbleiben einige mögliche Optionen für DC-Netzteile mit konventionellem Punktwert, die in Tabelle 3 dargestellt sind.

Tabelle 3: Verfügbare punktgenaue 100-V-Gleichstromversorgungen

Die großen 20-kW-Gleichstromversorgungen sind teuer und für die 1600-W-Prüfanwendung eindeutig überdimensioniert, aber dies ist die einzige Möglichkeit, eine einzige Prüfversorgung zu verwenden. Wenn wir dies mit einer Gleichstromversorgung mit konstantem Leistungsbereich vergleichen, können wir die Nennleistung auf nur 15 kW reduzieren, was etwa 40 % der Kosten für die Stromversorgung einspart und das Doppelte der erforderlichen Prüfspannung sowie zusätzliche 50 A Gleichstrom bei der niedrigsten Prüfspannung liefert. Ebenfalls überdimensioniert, aber weniger und weitaus kostengünstiger. Außerdem benötigt das DCS200-210 nur halb so viel Platz im Rack wie diese konkurrierenden Netzteile. Siehe Tabelle 4 für einen Vergleich.

Tabelle 4: APS Konstantleistungs-Gleichstromversorgung

Beispiel 2: PV-Wechselrichterprüfung

Ein weiterer typischer Test ist die Prüfung von PV-Wechselrichtern. Anstatt ein tatsächliches Solarpanel zu verwenden, um die Gleichstrom-Eingangsspannung während der Entwicklung des Produkttests bereitzustellen, wird im Allgemeinen eine programmierbare Gleichstromversorgung verwendet, um den Eingang des PV-Wechselrichters zu steuern. Da die Umgebungsbedingungen im Laufe eines Tages stark schwanken können, sind PV-Wechselrichter so ausgelegt, dass sie über einen breiten Eingangsspannungsbereich arbeiten, um Abschattung, Sonnenwinkel und die Intensität der Sonne, die sich im Laufe des Tages über den Himmel bewegt, zu berücksichtigen. Daher ist für die Prüfung von PV-Wechselrichtern ein breiter Bereich von Prüfspannungen erforderlich. Die Spezifikationen für den in diesem Beispiel verwendeten PV-Wechselrichter sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Tabelle 5: PV-Wechselrichter DC-Eingangsspezifikationen

Um die maximale PV-Eingangsspannung von 520Vdc und den maximalen Eingangsstrom von 50Adc abzudecken, müsste ein punktförmiges Gleichstromnetzteil eine Leistung von 30kW haben. In Tabelle 6 unten finden Sie einige Beispiele für verfügbare Modelle.

Tabelle 6: Verfügbare punktbewertete 600-V-Gleichstromversorgungen

Wie Sie sehen können, sind diese noch größer und wiederum sehr kostspielig. Im Gegensatz dazu steht die in Tabelle 7 gezeigte DCS750-70. Sie benötigt nicht nur die Hälfte der Leistung und weniger als die Hälfte der Kosten, sondern auch nur ½ oder 1/3 des erforderlichen Platzes in Ihrem Prüfsystem.

Tabelle 7: APS Konstantleistungs-Gleichstromversorgung

Zusammenfassung

Moderne Gleichstromversorgungen mit konstanter Leistung wie die APS DCS-Serie sparen Geld und Platz in vielen Testanwendungen. Sie bieten auch mehr Flexibilität in F&E-Labors, da ein und dieselbe DC-Stromversorgung einen viel größeren Bereich von Spannungs- und Stromkombinationen unterstützen kann als herkömmliche punktbewertete DC-Stromversorgungen.
Technische Informationen und einen Überblick über die verfügbaren Spannungs-, Strom- und Leistungskombinationen der DCS-Stromversorgungen finden Sie auf der Produktinformationsseite unter https://adaptivepower.com/products/dc-supplies/DCS-series/ oder rufen Sie Adaptive Power Systems gebührenfrei unter +1 (866) 517-8400 an.

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