Alimentations électriques en parallèle : méthodes sûres pour obtenir un courant plus élevé et assurer la redondance

Peut-on connecter des blocs d'alimentation en parallèle ? Oui, mais presque jamais de la manière dont on a tendance à le faire au premier abord. Relier entre elles les sorties positives de deux blocs d'alimentation classiques est la seule manœuvre susceptible d'endommager les deux appareils. Pourtant, la mise en parallèle de deux blocs d'alimentation en toute sécurité est une opération courante dans les ateliers de réparation, les tableaux de commande et les chaînes de production ; il est donc utile de connaître les règles à respecter avant de toucher à une borne.

Peut-on connecter des blocs d'alimentation en parallèle ? Pourquoi la réponse évidente est « non »

Connectez les bornes + et − de deux alimentations CC classiques à une même charge : c’est alors l’alimentation la plus puissante qui prend le dessus. Une alimentation à découpage se régule à une tension fixe : l'unité A maintient 24,0 V, l'unité B maintient 24,2 V. L'unité B ne peut pas s'opposer à la tension que l'unité A maintient déjà sur le bus ; elle se déclenche donc en protection contre les surintensités, ou pire encore, elle prélève du courant sur l'unité A. Deux sources régulées en parallèle s'opposent tout simplement : chacune lit la tension sur le bus, détecte une valeur erronée et corrige dans la direction opposée.

Le module présentant la tension de sortie la plus élevée fournit naturellement du courant jusqu'à sa propre limite, puis se désactive, laissant le système en manque du courant dont il avait besoin (DigiKey, 2016). Un décalage de quelques dizaines de millivolts suffit à le déclencher, et les rapports de terrain font état de cas allant de déclenchements répétés des dispositifs de protection à des équipements endommagés.

L'analogie avec une batterie ne tient pas ici. Une cellule déchargée voit sa tension chuter et se recharge à partir d'une autre plus performante ; une alimentation à découpage, quant à elle, maintient activement sa tension de consigne. Et si vous avez recherché des formules sur les circuits en série ou en parallèle, le montage en parallèle d'onduleurs ou les modes de fonctionnement internes des canaux d'une alimentation de laboratoire : il s'agit là de sujets différents ; cet article porte sur la combinaison de sorties en courant continu.

Pour la plupart des lecteurs, la question pertinente n’est pas “ puis-je le faire ? ”, mais “ comment atteindre mon objectif en toute sécurité ? ”. Deux des trois réponses ci-dessous ne coûtent presque rien.

Trois méthodes sûres pour connecter des blocs d'alimentation en parallèle — et l'unique impasse

Tout d’abord, il convient de distinguer deux objectifs qui sont souvent confondus. Plus récent signifie que la charge dépasse effectivement la capacité d'une seule alimentation et que les appareils se la partagent. Redondance Cela signifie que la charge tient dans une seule unité et qu'une deuxième unité assure la continuité du système en cas de défaillance de la première. Les approches se recoupent, mais les choix de produits diffèrent : c'est dans la redondance que le découplage matériel prend tout son sens.

Impasse : parallèle strict direct. Ce point a été abordé plus haut. Les fournitures qui sont Les composants conçus pour fonctionner en parallèle sont légitimes ; ils constituent la voie n° 3. Une alimentation classique ne disposant pas d’une prise en charge déclarée du fonctionnement en parallèle ne peut pas être sécurisée en redoublant d’efforts.

Option 1 — Répartir la charge plutôt que le courant. Lorsque deux unités plus petites remplacent une unité plus grande défaillante, la solution la plus économique et la plus sûre consiste souvent à ne pas recourir au montage en parallèle : reliez les pôles négatifs entre eux pour créer une référence commune et alimentez chaque moitié de la charge à partir de l’un des pôles positifs. Aucun composant supplémentaire n’est nécessaire, aucun courant de circulation n’est généré, et chacune des unités peut être réparée sans avoir à couper l’autre moitié de la charge. Le hic : votre charge doit se diviser clairement en, par exemple, deux zones, deux moteurs ou deux groupes d’appareils.

Solution n° 2 — Découpler les sorties à l'aide de diodes. Placez une diode de puissance sur la ligne « + » de chaque alimentation, avant le bus commun, afin que le courant ne puisse sortir d’une unité que dans un seul sens, et ne puisse jamais y revenir. Si une unité tombe en panne avec une sortie court-circuitée, sa diode empêche l’unité en bon état d’alimenter le circuit défectueux. Utilisez des diodes de type Schottky pour leur faible chute directe et choisissez-les avec une capacité d’au moins 1,5 fois la tension et le courant prévus par unité. La chute de tension aux bornes des diodes est d’environ 0,3 à 0,5 V, ce qui est perceptible sur un rail de 5 V mais négligeable sur un rail de 24 V. Réglez les deux alimentations sur une tension de sortie quasi identique et attendez-vous à une répartition inégale : un partage 40/60 est réaliste et suffisant pour assurer la redondance, tandis qu’un partage parfait 50/50 n’est pas réalisable de cette manière (PULS, 2022). Sous l'effet du courant réel, les diodes chauffent beaucoup. Montez-les sur un dissipateur thermique ou un panneau métallique, et évitez de les enfermer dans un faisceau de câbles recouvert d'une gaine thermorétractable.

Option 3 — Utilisez du matériel conçu pour le partage. Les catalogues industriels de modules sur rail DIN classent les alimentations en deux catégories : les unités standard et celles conçues pour un fonctionnement en parallèle. Les modèles compatibles avec le fonctionnement en parallèle intègrent une fonctionnalité de partage du courant : des bornes CS/share, une liaison de partage de la chute de tension ou une mention explicite indiquant “ fonctionnement en parallèle jusqu’à N unités ”. Les modules de redondance sont placés entre deux ou plusieurs alimentations et le bus ; ils les découplent et ajoutent un contact de relais « DC-OK » à des fins de surveillance ; les modules DIN modernes utilisent des MOSFET à la place des diodes afin de réduire la chaleur et les pertes de tension (la gamme DRDN20/40 de MEAN WELL prend en charge la redondance 1+1 et 1+N à 20 A ou 40 A avec deux contacts « DC-OK ») (AVEC DE BONNES INTENTIONS, 2020). Cette solution a un coût et est conçue de bout en bout ; la section suivante explique comment la choisir.

Choisir une configuration d'alimentation redondante : 1+1 ou N+1, et interpréter les spécifications relatives à la capacité de fonctionnement en parallèle

Lorsque l'objectif est la redondance, deux schémas de numérotation s'imposent, qui s'accompagnent d'exigences différentes en matière de produits.

1+1 contre N+1 : combien de pièces de rechange et quelle puissance nominale ?

Redondance 1+1 utilise deux blocs d'alimentation identiques, chacun capable de supporter à lui seul la charge totale, avec en plus un découplage. Comme aucun bloc n'est jamais amené à dépasser sa puissance nominale, la configuration « 1+1 » fonctionne avec des blocs d'alimentation ordinaires, non conçus pour un fonctionnement en parallèle, à condition qu'ils soient découplés (PULS, 2022).

Redondance N+1 installe une unité supplémentaire par rapport au nombre requis. Étant donné que le groupe n'est équilibré que si les unités se partagent le courant, N+1 nécessite des équipements expressément conçus pour un fonctionnement en parallèle. Une unité ordinaire ne peut pas remplir ce rôle (PULS, 2022). Une fois le couplage effectué, considérer 90% de la puissance nominale combinée comme la limite maximale utilisable (AVEC DE BONNES INTENTIONS, s.d.).

Comment déterminer si deux alimentations peuvent être montées en parallèle

Lisez la fiche technique comme s'il s'agissait d'une liste de contrôle :

• Une interface courant-part. Des terminaux CS ou de partage reliés par câble entre les unités (certaines gammes les appellent P, LP ou PLINK), ou une fonction de partage de charge documentée ne nécessitant aucun câblage.
• Une notation parallèle explicite. “ Fonctionnement en parallèle jusqu’à N unités ” avec un nombre maximal ; la plupart des fabricants limitent les baies à quatre à six unités.
• Un contact DC-OK / d'alarme. Sans cela, vous ne pouvez pas signaler à l'automate qu'une unité est tombée en panne.
• Le silence signifie « non ». Si le tableau des caractéristiques techniques indique la surcharge en mode « hiccup », l'ondulation et la plage de température, mais ne mentionne jamais le montage en parallèle, considérez l'appareil comme destiné à un fonctionnement en solo. C'est le cas de la plupart des blocs d'alimentation compacts sur rail DIN de la gamme 15 à 480 W : ce sont de bons appareils, à utiliser à raison d'un par bus.

Les règles de câblage sont tout aussi importantes que les caractéristiques techniques. Veillez à ce que la différence de tension de sortie entre les appareils reste inférieure à 0,2 V, et reliez-les entre eux à l'aide de fils courts et de grand diamètre. avant en raccordant une seule paire de fils à la charge. Veillez également à ce que la charge totale reste supérieure à environ 10% de la puissance nominale d’une seule unité : en dessous de cette valeur, les signaux « Power Good » et d’alarme peuvent présenter des anomalies même si tout fonctionne correctement (AVEC DE BONNES INTENTIONS, s.d.).

Une alimentation compatible en parallèle, ou une alimentation classique associée à un module de redondance ?

Pour une nouvelle armoire, achetez selon les spécifications : des alimentations compatibles en parallèle pour une configuration N+1, et pour une configuration 1+1, soit une paire compatible en parallèle, soit des unités standard derrière un module de redondance. Pour une armoire déjà installée, la solution de mise à niveau consiste presque toujours à utiliser des alimentations standard associées à un module : vous conservez l’encombrement au sol et bénéficiez des contacts « DC-OK » du module. Il convient de prendre au sérieux une mise en garde des fabricants de modules : une alimentation dotée d’une fonction de mise en parallèle n’est pas automatiquement prête pour la redondance, car les circuits actifs de partage de courant ne disposent généralement pas de protection contre les courants inverses. Si une unité mise en parallèle tombe en panne et provoque un court-circuit en sortie, elle peut mettre le bus hors service à moins qu’un dispositif ne la découple. C’est exactement ce qu’assurent les diodes ou le module à base de MOSFET (AVEC DE BONNES INTENTIONS, 2020). Et, dans la mesure du possible, alimentez chaque alimentation redondante à partir d'une source CA distincte, afin qu'une perte de phase ne puisse pas mettre hors service les deux unités en même temps (PULS, 2022).

Pourquoi les alimentations en parallèle tombent en panne : défaillances communes, pièges liés à une faible charge et vérifications sur site

Chaque défaillance d'un montage en parallèle s'explique par un principe simple : le courant doit être partagé, et pas seulement autorisé. Sans partage, l'unité à plus haute tension supporte la charge jusqu'à ce qu'elle atteigne sa limite et s'arrête. Deux mécanismes permettent de remédier à cela (DigiKey, 2016):

• Partage « Droop » (passif) Cela permet à la tension de sortie de baisser légèrement lorsque le courant augmente ; ainsi, lorsqu'un module est surchargé, sa tension diminue et les autres prennent le relais. C'est un système simple et robuste ; en contrepartie, la régulation est moins précise.
• Partage actif relie les boucles des modules entre elles à l'aide d'un fil commun afin qu'elles se régulent au même courant. L'équilibre est plus précis, mais le câblage supplémentaire et l'absence de protection contre l'inversion de polarité impliquent qu'il faille associer cette solution à un découplage lorsque l'objectif est d'assurer la redondance.

C'est la présence d'une diode ou d'un module entre chaque alimentation et le bus qui transforme le “ parallèle ” en “ redondant ” : cela empêche le retour de courant vers la sortie court-circuitée d'une unité défaillante.

Si vous ne procédez pas au découplage, une seule défaillance suffira à transformer votre paire redondante en une panne touchant l'ensemble du système.

Contrôles sur site : alarmes de charge légère, remplacement à chaud et symptômes liés au montage en diode

Lorsqu'une configuration combinée présente des dysfonctionnements, parcourez la liste dans l'ordre :

1. Commencez par l'isoler. Débranchez le bus, connectez chaque alimentation à sa propre charge, puis vérifiez la tension et le signal “ DC-OK ” sur chacune d'elles. Cela permet de distinguer un “ appareil défectueux ” d'une « combinaison défectueuse ».”
2. Respectez la règle de la charge légère. En dessous d'environ 10% de la puissance nominale d'une unité, les signaux « power-good » et d'alarme peuvent ne pas s'activer correctement et le partage peut devenir déséquilibré ; il s'agit d'un comportement documenté, et non d'un dysfonctionnement de l'unité (AVEC DE BONNES INTENTIONS, s.d.). Que vous chargiez le bus ou que vous ignoriez l'alarme, sachez bien ce que vous faites.
3. Mesurer correctement un circuit à diode. La tension du bus à vide doit être inférieure d’environ 0,3 à 0,5 V aux valeurs de consigne des alimentations. Si elle atteint la valeur de consigne maximale, cela signifie qu’une diode est court-circuitée et que l’unité n’est plus isolée. Des diodes qui chauffent sous une charge modérée indiquent que les composants sont sous-dimensionnés ou qu’il manque des dissipateurs thermiques, ce qui constitue la panne la plus courante chez les bricoleurs.
4. Ne procédez pas à un remplacement à chaud, sauf si cela est spécifié dans la documentation. Le retrait et le remplacement d'un module sur un bus partagé sous tension ne peuvent se faire en toute sécurité que si le matériel est conçu à cet effet. Sur un système à diodes, déconnectez d'abord la charge ou mettez le rail hors tension.
5. Ne mélangez jamais les marques, les modèles ou les classes de consommation au sein d'un même groupe. Des points de consigne et des profils d'ondulation différents empêchent le partage dès le départ ; si les unités doivent être différentes, répartissez la charge (chemin 1).

Si la tension du bus est instable ou si le dispositif de protection se déclenche de manière répétée, même lorsque les unités sont compatibles et que le câblage est correct, arrêtez le système : le problème ne provient plus du montage en parallèle, mais des unités elles-mêmes ou du câblage en amont.

Que signifient les « alimentations parallèles » lorsque vous les vendez ou les stockez ?

Lorsqu'un client demande si deux alimentations de 24 V “ peuvent être connectées en parallèle ”, il ne cherche généralement pas à obtenir une réponse par « oui » ou par « non ». Cette question recouvre en général l'une des trois situations suivantes : la charge est devenue trop importante pour une seule unité ; une unité est tombée en panne et deux autres, plus petites, sont en stock ; ou bien la machine ne doit en aucun cas s'arrêter. Chacune de ces situations appelle une réponse différente, et donne lieu à une commande différente.

Le volume s'inscrit dans la logique de réparation et de remplacement. Une alimentation de 40 A tombe en panne, la pièce de rechange ne sera disponible que dans deux semaines et le technicien dispose de deux unités de 20 A. On se trouve alors dans le cadre de la « voie 1 » (répartition de la charge) ou de la « voie 2 » (configuration à diodes) : il s'agit dans les deux cas de configurations légitimes de type « 1+1 », chaque unité pouvant prendre en charge respectivement la moitié ou la totalité de la charge. Renseignez-vous donc sur l’objectif (capacité, remplacement ou disponibilité) avant d’établir un devis. C’est cet objectif qui détermine si le client a besoin d’un seul appareil plus puissant, d’une paire appariée avec découplage, ou d’une paire en parallèle avec un module de redondance.

En matière de stratégie de stockage, cela implique de privilégier les paires plutôt que les formats surdimensionnés. Au lieu d’une seule référence de grande taille par plage de tension, stockez des paires assorties d’alimentations standard aux côtés des composants permettant de les combiner en toute sécurité. Cela implique un module de redondance (ou un kit de diodes), un fusible de dérivation ou un disjoncteur miniature par sortie d’alimentation, ainsi que des borniers dimensionnés pour un câblage parallèle court et épais. Un distributeur proposant une gamme complète peut livrer l’alimentation sur rail DIN, le module, la protection de dérivation et le bornier en une seule commande. La délimitation claire est également importante. Pour une charge s’inscrivant largement dans les limites nominales d’un seul bloc d’alimentation, le conseil approprié est d’opter pour une alimentation unique plus une de rechange, et non pour une paire en parallèle. Et la redondance 1+1 double la disponibilité, jamais la capacité.

Si vous avez besoin d'aide pour transformer ces informations en nomenclature, envoyez vos fiches techniques et vos plans d'armoires à notre service de sélection de produits; nous proposons des alimentations pour rail DIN, des modules de redondance et des dispositifs de protection adaptés. Nous pouvons tester cette combinaison sur un échantillon avant que vous ne vous engagiez à commander un lot ; envoyez-nous donc les données de charge et nous vous indiquerons quelle association est la plus adaptée. OMCH vend aussi bien les composants individuels que les ensembles, car c'est grâce à ces derniers que les alimentations en parallèle fonctionnent réellement.

Références

1. PULS. “ Connexion en parallèle et redondance des alimentations électriques : quelle est la différence ? ” 2022. https://www.pulspower.com/cam/blog/parallel-connection-and-redundancy-of-power-supplies-what-is-the-difference/
2. MEAN WELL Enterprises. “ Fonction de redondance et utilisation de l'alimentation électrique ”. 2020. https://www.meanwell.com/newsInfo.aspx?c=5&i=847
3. MEAN WELL. “ Quelles sont les exigences relatives aux connexions en parallèle ? Quelles sont les différences entre les connexions en parallèle et les connexions redondantes ? ” (FAQ du distributeur agréé). https://meanwellpowersupplies.com/technical-articles/faq/what-are-the-requirements-of-parallel-connections-what-are-the-differences-between-parallel-and-redundant/
4. DigiKey. “ Configurer correctement les alimentations en parallèle pour répartir le courant de charge, sous peine de provoquer une défaillance du système. ” 2016. https://www.digikey.com/en/articles/properly-configure-parallel-power-supplies
5. OMCH. “ Service d'aide au choix des produits. ” https://www.omch.com/product-selection/
6. OMCH. “ Composants d'automatisation industrielle ”.” https://www.omch.com/