應急電源系統在芯片制造工廠中的應用

石貴春

（合肥長鑫集成電路有限責任公司，安徽 合肥 241000）

0 引 言

缺芯少魂一直是困擾中國信息產業發展和安全的難題。為了打破國外壟斷格局，解決中國缺芯少魂的難題，近年來各省市都在積極爭取該類項目的審批。眾所周知，這一行業對電源的供應要求極其苛刻，生產中的任何電力供應中斷或異常電壓波動，都會造成大量原材料的報廢和設備的損壞，導致重大經濟損失和社會影響，同時打斷該行業的正常供應鏈，短期內無法正?；謴蜕a。這就對芯片制造業的供電質量提出了極高要求，而應急電源系統在整個供電系統中更顯得尤為重要。

1 芯片制造主要工藝流程

半導體芯片制造是在超高潔凈度及溫濕度的環境下，并同時發生大量物理、化學反應，工藝極其復雜，時間冗長。以移動終端中的高端動態存儲器芯片為例，整個生產過程從硅晶圓涂膜開始到功能實現需要200多道工序，約60 d左右才能全部完成。

芯片制造首先將完好的硅晶圓投入生產線，進行涂膜光刻膠，然后利用紫外光進行曝光，在光刻膠層形成電路圖案，隨后將晶圓浸入刻蝕藥劑中進行刻蝕，最后導入特定雜質完成摻雜和鍍膜，并不斷反復上述工藝過程，最終在晶圓表面沉積絕緣層來保護晶體管，這便是芯片制造的大致過程[1]。

從上述的工藝流程可以看出，芯片的制造工藝技術要求苛刻、工序復雜。在整個過程中多次循環使用顯影、光照、刻蝕、薄膜沉積、離子注入、拋光等設備。以光刻機為例，為保持光刻機的精度，設備在整個運輸過程中也必須要保持在23 ℃的恒溫狀態下，對該設備的運行條件要求則更為苛刻。因此為保障整個生產過程的不間斷及各關鍵設備的安全運行，還需要潔凈室系統、超純水系統、特氣系統、化學系統、真空系統等各子系統密切配合。

2 芯片制造工廠電源分類

芯片制造工廠的電源性質通常分為Normal電、Emergency電、Uninterruptible電。

2.1 Normal電

Normal電約占芯片制造工廠總需求的70%，該類電源直接接入電網，中間無任何抗干擾的措施，受電網干擾的可能性較大，主要供應的設備有一般空調系統、照明系統、一般動力系統、一般工藝設備等。

2.2 Emergency電

Emergency電約占芯片制造工廠總需求的10%，該類電源直接接入電網，受電網干擾的可能性較大，但在電網中斷電力供應時，配備的應急發電機組會在較短時間（2 min內）內重新啟動，為下游負載繼續供電，主要供應的設備有消防系統、應急照明系統、電梯、一般動力系統等。

2.3 Uninterruptible 電

Uninterrupted電約占芯片制造工廠總需求的20%，該類電源非直接接入電網，在負載與電網之間增加了相應的抗干擾措施，因此具有優越的抗電網干擾能力，當電網發生異常電壓波動及電力供應中斷時，仍可以保護負載不受干擾，繼續運行。主要服務于與工藝生產密切相關的工藝設備、工藝動力系統等。

3 應急電源系統的分類

芯片制造工廠中的Emergency電與Uninterruptible電均稱為應急電源系統，應急電源系統又被分為應急間斷電源系統與應急不間斷電源系統。

3.1 應急間斷電源系統

應急間斷電源系統比較簡單，應用也比較成熟，通常根據負載的容量匹配多臺柴油發電機組。它有兩種工作模式。

（1）市電模式。當市電正常供應時，柴油發電機組離線，下游負載由市電供應。

（2）發電模式。當市電出現電力供應中斷或異常電壓波動時，柴油發電機組首先判斷市電是否正常供電，確定市電供電異常時（中斷或異常電壓波動），由系統發出斷開市電信號，同時向柴油發電機組發出啟動信號，并在1～2 min內自動完成柴油發電機組的啟動，恢復下游負載供電，但已停機設備需重新啟動。

3.2 應急不間斷電源系統

應急不間斷電源系統目前主流實施方案有靜態UPS和動態UPS兩種。

3.2.1 靜態UPS

靜態UPS主要由整流器、逆變器、靜態開關、蓄電池組和控制器等組成，是將蓄電池與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備。從基本應用原理上講，靜態UPS是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件，穩壓穩頻輸出的電源保護設備，主要有以下幾種工作模式。

（1）正常運行模式。電源經過整流-充電器和逆變器的雙重轉換（AC-DC-AC）對下游負載供電，同時也對電池進行浮充電。

（2）后備運行模式。當市電出現電力供應中斷或異常電壓波動時，逆變器與電池組無間斷地投入繼續為負載供電，并持續供電直至電池組放電終止。

（3）市電恢復充電模式。當市電恢復供應時，經過整流/充電器和逆變器的雙重轉換，一邊給電池組充電，一邊供應負載。靜態UPS的工作模式如圖1所示。

圖1 靜態UPS的工作模式

3.2.2 動態UPS

動態UPS主要由引擎、飛輪、同步發電機感應耦合器、電抗器等組成[2]。通長根據負載容量的大小，配備多臺機組共同構成動態UPS系統，該系統技術的核心主要在飛輪儲能，儲能原理是電動機的電能轉化為飛輪高速旋轉的機械能，當市電異常時，又通過同步發電機將飛輪的機械能轉化為電能，供應下游負載[3]。動態UPS主要有以下幾種工作模式。

（1）市電模式。當市電正常供應時，同步發電機相當于電動機，驅動感應耦合器的外轉子，而內轉子（飛輪）被激勵后高速帶動飛輪旋轉，使得飛輪始終在額定的轉速下旋轉，達到儲能的效果。同時同步發電機與電抗器結合既可以為負載提供無功補償，又可以作為有源濾波器，達到濾波效果，消除對電力系統的干擾。

（2）引擎模式。當市電出現電力供應中斷或異常電壓波動時，系統立即做出判斷，飛輪的儲能也立即釋放，由機械能轉化為電能對負載供電，與此同時引擎啟動，并在極短時間內（2 s左右）快速加速至發電機的速度，由離合器自動完成二者的結合，此時引擎與耦合器共同驅動發電機對下游負載供電。在引擎與耦合器共同驅動發電機一段時間后（5～10 s左右），引擎將單獨驅動發電機為下游負載供電。同時，耦合器內轉子帶動飛輪再次加速儲能[4]。

（3）恢復市電模式。當市電恢復并穩定后，系統發出指令，離合器斷開，引擎減速停機，發電機重新轉化為電動機狀態。動態UPS架構如圖2所示。

圖2 動態UPS架構

4 應急電源系統的優缺點

4.1 靜態UPS

靜態UPS的主要優點在于它的不間斷供電能力。在市電輸入正常時，靜態UPS把交流電整流成直流電，然后再把直流電逆變成穩定無雜質的交流電，給后級負載使用 。一旦市電交流輸入異常，如欠壓了或者停電了又或者頻率異常了，那么UPS會啟用備用能源-蓄電池，靜態UPS的整流電路會關斷，相應的，會把蓄電池的直流電逆變成穩定無雜質的交流電，繼續給后級負載使用。

但是靜態UPS的蓄電池對工作環境要求高，電池室需要空調系統，標準環境溫度下，蓄電池的使用壽命一般為3～10年。環境溫度每超過許可溫度10 ℃，電池的使用壽命將減少一半，蓄電池的老化還會造成靜態UPS容量的進一步降低。同時，靜態UPS的不間斷供電時間不是無限的，這個時間受制于蓄電池自身儲存能量的大小。如果市電出現電力供應中斷或異常電壓波動，那么在靜態UPS的蓄電池供電的寶貴時間內，需要做的就是趕緊恢復交流電，如啟用備用交流電回路、啟用備用發電機發電等。

因此，為了滿足芯片制造工廠中Uninterruptible電負載的供電需求，靜態UPS需要另行配備柴油發電機組方可實現，但會使得整個供電系統架構極其復雜。

4.2 動態UPS

正常運行時，動態UPS由于不需要經過交流→直流、直流→交流的整流和逆變過程，系統效率更高。動態UPS因采用飛輪儲能原理，供電時間不再受限制，只要油料補給及時動態UPS即可源源不斷地為負載提供安全可靠的電力供應，同時動態UPS也具有無功補償及諧波治理的功能。另外，根據負載的大小及特點，動態UPS的架構具有一定的多樣性，可以為單機系統，也可以為多機并機冗余系統。動態UPS因不使用電池，壽命較靜態UPS要高出許多[5]。但是動態UPS的造價成本比靜態UPS及柴油發電機組要高出約50%～70%，因此芯片制造工廠中動態UPS主要供應的負載為Uninterruptible電負載。

5 工程實例

某大型半導體芯片制造工廠為12吋生產線。工廠主要用電設備全部按照一級負荷考慮，新建一座220 kV變電站，并從電網引入兩回220 kV高壓線路，高壓母線采用雙母線單分段模式合環運行，經降壓至中壓20 kV，并作為工廠主配電電壓等級。

考慮到市電出現電力供應中斷或異常電壓波動，造成工藝設備停機或生產線中斷，會造成很大的經濟損失，Emergency電選用8套2 000 kW柴油發電機組（400 V）經升壓變后接入主配電系統。Uninterruptible電選用22臺（兩套系統）2 300 kW動態UPS機組（400 V）經升壓變后接入主配電系統，另外選用若干臺小型靜態UPS保障數據中心、服務器等。

（1）Emergency電。Emergency電選用8套2 000 kW柴油發電機組（400 V），經升壓變后并入主配電系統。當市電電力供應中斷，系統自動斷開主配電系統側電源開關，8套柴油發電機組同時啟動，并在EB-EPHV-01、EB-EP-HV-02母線側實現并機，完成并機后實現對EB-EP-HV-05、EB-EP-HV-06負載供電，整個過程控制在2 min內。

（2）Uninterruptible電。Uninterruptible電 選 用22臺（兩套系統）2 300 kW動態UPS機組（400 V）經升壓變后接入主配電系統，每段母線上均設有手動旁路開關和自動旁路開關。正常運行時，由市電經動態UPS的配電母線并通過電抗器完成對EB-UP-HV的供電，每臺動態UPS機組電力調節系統分別改善配電母線的輸出電能質量，同時同步發電機轉化為電動機，使每臺動態UPS機組的飛輪始終保持額定速度3 000 r/mim（50 Hz）運轉。當市電出現電力供應中斷或異常電壓波動，系統立即做出判斷，飛輪的儲能也立即釋放，由機械能轉化為電能對負載供電，與此同時引擎啟動，并在極短時間內（2 s左右）快速加速至發電機的速度1 500 r/mim（50 Hz），由離合器自動完成二者的結合，此時引擎與耦合器共同驅動發電機對EB-UP-HV供電。在引擎與耦合器共同驅動發電機一段時間后（5～10 s左右），引擎將單獨驅動發電機為EB-UP-HV供電。同時，耦合器內轉子帶動飛輪再次加速儲能，速度保持為3 000 r/mim（50 Hz）。

6 結 論

半導體芯片工廠對設備運行環境、生產原料的純凈度等方面要求嚴苛，超高精度的復雜制程工藝決定了半導體芯片制造行業對電能質量的極高要求。芯片制造廠在建廠階段要根據電網供應能力、負載性質、負載容量等，不斷優化調整全廠供配電方案，并將Normal電、Emergency電、Uninterruptible電的配比調整到最優狀態，有效解決電網干擾問題。