電子半導體行業供配電系統的設計與優化

關鍵詞：電子半導體行業；供配電系統；不間斷電源；N+1冗余優化中圖分類號：TM72 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）16-0034-04DOl：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.009

0 引言

隨著電子半導體行業向先進制程和高精度工藝不斷迭代發展，供配電系統的設計與優化已成為保障生產穩定和提升經濟效益的關鍵環節。

光刻機、離子注入、化學氣相沉積（CVD）等高精密產線設備對電能質量的要求極為敏感嚴苛，諧波失真、電壓波動及瞬時停電等問題均可能導致重大生產損失。傳統供配電系統存在負載響應遲緩、故障切換滯后、諧波抑制能力不足等局限，難以滿足先進半導體制造的要求。本文從該行業的供配電需求分析出發，系統研究了電力分配網絡架構設計、UPS及應急發電設計、主干電力系統N+1冗余優化、快速切換等策略，為構建高可靠、高效能的供配電系統提供了新思路。

1電子半導體行業供配電需求分析

半導體廠房中的工藝設備對供電質量要求極高。首先，高可靠性、安全性是對供電系統的基本要求。尤其是在高世代的電子基板、面板行業，8寸、12寸晶圓以及先進封裝工藝中，其制程越先進，對供配電系統的要求越高。如：光刻等精密設備要求電壓波動應控制在 ±1% 以內，總諧波畸變率（THD）低于 5% .頻率偏差要求在 ±0.1Hz ，以滿足極限條件下的高精度工藝設備運行需求。其次，為保證電能質量，需配置諧波抑制裝置及動態電壓恢復設備，以降低因諧波畸變和電壓閃變引起的設備失效風險[]。再次，電子半導體生產對電力負荷分布的影響具有顯著的非線性特征，且潔凈室環境中供電系統的電磁兼容性要求嚴格，尤其在超高潔凈等級（ISO1級）環境中，供電系統需采取屏蔽接地和等電位連接措施以防止電磁干擾對敏感設備的影響。此外，電子半導體廠房的高可靠性需求催生了 N+1 冗余設計原則的普及，以確保關鍵設備供電不中斷。最后，在高密度生產車間中，動態負載平衡技術與智能化電力監控系統（FacilityMonitoringandControlSystem，FMCS）的結合，可以優化不同工藝區的負荷特性，降低峰值負荷對主電網的沖擊[2]。

2 供配電系統設計與優化

2.1 電力分配網絡架構設計

基于制程、規模、負荷等級及經濟性考慮，常規的供電系統架構設計通常采用“單電源進線 + 柴油發電機（選擇性設計）+UPS（選擇性）”，中壓及低壓配電系統母聯往往采用備自投的切換方式。其電力分配網絡架構也較為簡單。

針對電子半導體行業生產的高精度需求，電力分配網絡需要滿足多級分配、動態負載響應、高效傳輸和可靠性冗余的要求[3，故優化的供電系統架構采用“雙（多）電源進線 + 柴油發電機 +UPS+DVR （動態電壓恢復裝置）”，中壓及低壓母聯切換采用不停電轉移負荷的無擾動快切裝置（故障及異常情形下，可實現兩進線電源斷路器 ⁺ 母聯斷路器的并聯切換）。

電力分配網絡架構如圖1所示，其采用單環網結構，通過光纖工業以太網實現全系統的高速數據傳輸和同步協調。一級配電網絡負責從外部電網引入高中壓主電源，經過變壓器降壓后分配至潔凈室系統、工藝設備系統及廠務系統等核心用電區域。

圖1電力分配網絡架構簡圖

一級配電網絡的設計重點在于電能質量控制，需由諧波抑制器和動態電壓恢復設備保證供電電壓的穩定性，避免因瞬時波動對光刻機等精密設備造成干擾。

在二級配電網絡中，系統根據功能區劃分為壓縮空氣系統（CompressedDryAir，CDA）、工藝冷卻水系統（ProcessCoolingWater，PCW）、特氣供應系統及化學品處理系統等，分別配置獨立的分配單元。這種區域化分配策略能夠優化供電路徑，降低電力傳輸損耗，并提升電力分配的精準性。

由于潔凈室環境對電力分配架構提出了更高要求，尤其是在高潔凈度環境（ISO1級）中，需采用低電磁干擾的屏蔽措施，并由等電位接地網絡確保設備間的電磁兼容性。此外，潔凈室供電網絡還需設置分段式隔離開關和備用電源接口，以應對突發斷電或電源設備故障。圖1中的電力分配網絡架構簡圖展示了一個典型的三級分布式供電網絡：一級供電主干為高中壓電纜網絡，負責大功率傳輸；二級分配單元通過分段化管理匹配不同負載需求；三級末端供電則覆蓋特定工藝設備（化學氣體供應、廢水處理等），并配備負荷切換裝置以保證連續供電。此外，網絡中集成了動態負載平衡技術，通過對全廠功率需求的實時分析，優化電力分配路徑，降低局部過載風險。

2.2 UPS及應急發電設計

半導體生產中的光刻機、刻蝕設備以及其他精密工藝設備對電源中斷的容忍時間通常小于 10ms^[4] 。因此，應急備用電源應圍繞重要關鍵負荷，以滿足電力異常情形下的持續供電。

不間斷電源（Uninterruptible PowerSupply，UPS）系統的核心在于實現短時間內的供電無縫切換，其配置需考慮總負載容量、后備時間和輸出波形質量。在典型的12英寸晶圓廠中，潔凈室和關鍵工藝設備的負載功率約為5MW，對應UPS系統的容量應至少選取為6MW，以滿足峰值負載和備用需求。采用雙轉換在線式UPS，由整流器與逆變器對輸入電壓波動進行精確調節，將諧波失真控制在 3% 以下，并實現輸出電壓穩定在 ±1% 。后備電池系統通常使用鋰離子電池或磷酸鐵鋰電池，其放電效率高達 95% ，循環壽命可達5000次以上。

應急發電系統采用柴油發電機組與自動轉換開關相結合的方式，確保在市電故障情況下快速切換供電。柴油發電機組容量應至少為關鍵負載總功率的1.2倍，選用單機容量為 2～4 MW的模塊化并聯機組，能夠在10s內達到滿負荷輸出。發電機組的穩態頻率偏差需控制在 ±0.5Hz 以內，電壓調整率不超過 ±1% 。燃油供應系統設計時需考慮24h的連續運行儲備，標準配置為雙壁燃油儲罐和智能加油系統，同時設置防泄漏和防火安全裝置。

2.3 主干電力系統 N+1 冗余優化

在主變壓器設計中，額定容量為 10～20 MVA，N+1 冗余配置下，每組主變壓器按 70%～80% 的負載率運行，備用變壓器能夠在 60ms 內自動切換接入系統，避免負載丟失。為提高電能質量，每組主變壓器均配置有載調壓開關，以保證輸出電壓波動控制在 ±1% 以內，同時加裝諧波濾波裝置，使總諧波畸變率小于 3% 。配電母線采用分段式母線架構，每段母線均配備獨立斷路器和分布式控制模塊[5]。斷路器選型為真空斷路器，額定電流為 |2 000A ，分斷能力高達 50kA 。通過母線耦合器實現主母線間的負載切換，切換時間控制在 ?0.5s ，確保關鍵工藝設備的供電連續性。主供電線路采用雙回路設計，每條線路配置獨立的自動重合閘和負載隔離開關，其中導體選用XLPE絕緣電纜，單回路輸送容量可達5MW以上。

2.4其他重要環節設計及優化

在設計電子半導體行業的供配電方案時，除常規設備選型外，還應重點考慮以下幾個方面：

1）改善供電電源。在常見的中壓 10kV 系統中，同一線路中的供電負荷眾多，用電設備故障導致整條線路的電壓干擾發生概率大，嚴重影響芯片制造企業內部設備的正常工作，因此建議采用更高電壓等級（如 110kV） 的供電網絡對其進行供電。若采用10kV 或 35kV 供電系統，則應盡可能采用專線供電，且應避免與具有大功率沖擊性或非線性設備的用戶同母線供電。

2）采用快速切換開關進行電源切換。在有備用電源的場合，為了實現不間斷供電，傳統的方法是用開關斷路器將用戶從故障線段切換到無故障母線。目前，在中壓和高壓系統中大多采用機械切換開關，這種機械開關本身固有的特性使得其切換速度和暫態特性都不十分理想，不可能做到“無縫隙\"切換。機械開關典型的切換時間在數秒至數十秒間，即使采用真空開關，最快也需要 0.1～0.2s 。這相當于在5～10 個周波時間內，半導體芯片制造企業的供電系統將失去供電電源，造成短時的供電中斷。而現代敏感負荷要求在幾十毫秒甚至 20ms 內切換電源，普通機械開關是不可能做到的。以晶閘管為代表的開關器件的導通時間則可達到微秒級，且在開關過程中不產生電弧。利用基于半導體器件的電力電子開關代替或改造傳統的機械切換開關，將有效解決傳統機械開關的固有問題，大大提高切換速度，延長開關的使用壽命，滿足敏感和關鍵負載對供電可靠性和電能質量的苛刻要求。

3）采用動態電壓恢復器（DVR及動態無功補償器（SVG抑制電壓波動。DVR一般由基于全控型電力電子器件的電壓源型逆變器構成，設備串聯于電源與敏感負荷間。負荷正常運行時，DVR被旁路，由系統提供電壓；當系統電壓發生暫降時，DVR可在數毫秒內通過電壓源型逆變器輸出補償電壓，對凹陷電壓進行有效補償，從而確保負荷供電電壓保持恒定。由于DVR采用基于全控型器件的電力電子器件及數字控制系統，因此設備響應速度快、補償準確；此外，電壓暫降發生時僅需補償電壓凹陷部分的電壓，補償容量小、效率高。DVR能在 10kV/35kV 電壓等級應用，保證整個廠區負荷免受電壓暫降的影響。而SVG動態無功補償器相較于傳統的SVC靜態無功補償，則有極大的性能優勢。

4諧波治理。采用有源電力濾波器（APF重點治理5次、7次諧波，合理配置濾波器，以降低諧波畸變率。

5智能配電管理系統。除了高可靠性的系統架構設計、優異的一次/二次設備選型外，經濟性、高能耗的節能低碳，也是設計需要考慮的重點。比如，采用基于物聯網（IoT技術的智能配電管理系統以實現電能質量實時監測，優化負載分配；部分電子半導體工廠采用光伏 + 儲能系統（ESS）作為主配電系統的補充。

3 測試與結果分析

3.1 測試環境

測試實驗在一個典型的12英寸晶圓廠進行，關鍵測試對象包括主干電力系統、UPS模塊、應急發電機組及負載設備。測試區域的總供電容量為12MW，分為3個負載區（潔凈室供電區、工藝設備區、輔助系統區），分別承擔4.8、5.6、1.6MW的動態負載。UPS模塊：雙轉換在線式UPS，型號為APC-GX15kVA，輸出功率 15kVA ，轉換效率 96% ；柴油發電機組：型號為Cummins-QSK60，單機容量3MW，穩態頻率偏差 ±0.5Hz ；諧波抑制設備：型號為Schneider-HA2200，可抑制諧波畸變至 7HDlt;3% ；負載設備：動態模擬器Chroma-63800，負載變化范圍 0～2MW 。

3.2 測試步驟

1）基線測試：在傳統供配電系統（無N+1余設計）的條件下，模擬負載波動和單點故障情況，記錄主變壓器過載、電壓偏差、切換時間等指標，作為對比基準。

2）N+1 冗余供配電系統測試：動態負載響應測試通過動態負載模擬器模擬負載波動 （0.8～1.2MW） ，測試供配電系統的實時調節能力和電壓穩定性；單點故障測試則關閉某一主變壓器，驗證備用變壓器接入時間是否小于 50ms ，并測試負載區域的供電恢復情況；應急切換測試需斷開主電源，觸發UPS和應急發電機的聯動切換，記錄UPS輸出電壓波動幅度和應急發電機組啟動時間；諧波干擾測試在動態負載下測量系統諧波畸變率，驗證諧波抑制設備的效果。

3）數據采集與分析：使用FMCS實時采集負載電流、電壓、頻率、切換時間等數據，將優化系統和傳統系統性能進行對比分析。

3.3 測試結果分析

實驗結果如表1所示，測試表明，優化設計在電能質量、切換效率和動態響應能力上均顯著優于傳統供配電系統，特別是在單點故障切換時間和諧波抑制方面，優化系統表現出了優異的穩定性。

表1實驗結果

4結束語

綜上所述，電子半導體行業供配電系統的優化設計直接影響生產設備運行的可靠性和生產線的連續性。本文基于典型半導體廠房的實際需求，深入分析了供配電系統在動態負載調節、主干冗余保護及應急響應方面的關鍵技術，提出了一系列高效優化策略。實驗結果驗證了優化設計在提升電能質量、縮短切換時間和增強系統穩定性方面的顯著效果。

隨著深度人工智能（AD在電能質量預測中的應用，以及微電網與半導體供配電系統的協同優化等新技術在半導體行業的應用發展，其供電系統的設計與優化必將取得更大的進步。

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