电子半导体行业供配电系统的设计与优化

0引言

随着电子半导体行业向先进制程和高精度工艺不断迭代发展,供配电系统的设计与优化已成为保障生产稳定和提升经济效益的关键环节。

光刻机、离子注入、化学气相沉积(CVD)等高精密产线设备对电能质量的要求极为敏感严苛,谐波失真、电压波动及瞬时停电等问题均可能导致重大生产损失。传统供配电系统存在负载响应迟缓、故障切换滞后、谐波抑制能力不足等局限,难以满足先进半导体制造的要求。本文从该行业的供配电需求分析出发,系统研究了电力分配网络架构设计、UPS及应急发电设计、主干电力系统N+1冗余优化、快速切换等策略,为构建高可靠、高效能的供配电系统提供了新思路。

1 电子半导体行业供配电需求分析

半导体厂房中的工艺设备对供电质量要求极高。首先,高可靠性、安全性是对供电系统的基本要求。尤其是在高世代的电子基板、面板行业,8寸、12寸晶圆以及先进封装工艺中,其制程越先进,对供配电系统的要求越高。如:光刻等精密设备要求电压波动应控制在±1%以内,总谐波畸变率(THD)低于5%,频率偏差要求在±0.1 Hz,以满足极限条件下的高精度工艺设备运行需求。其次,为保证电能质量,需配置谐波抑制装置及动态电压恢复设备,以降低因谐波畸变和电压闪变引起的设备失效风险[1]。再次,电子半导体生产对电力负荷分布的影响具有显著的非线性特征,且洁净室环境中供电系统的电磁兼容性要求严格,尤其在超高洁净等级(ISO1级)环境中,供电系统需采取屏蔽接地和等电位连接措施以防止电磁干扰对敏感设备的影响。此外,电子半导体厂房的高可靠性需求催生了N+1冗余设计原则的普及,以确保关键设备供电不中断。最后,在高密度生产车间中,动态负载平衡技术与智能化电力监控系统(FacilityMonitoringandControlSystem,FMCS)的结合,可以优化不同工艺区的负荷特性,降低峰值负荷对主电网的冲击[2]。

2供配电系统设计与优化

2.1 电力分配网络架构设计

基于制程、规模、负荷等级及经济性考虑,常规的供电系统架构设计通常采用“单电源进线+柴油发电机(选择性设计)+UPS(选择性)”,中压及低压配电系统母联往往采用备自投的切换方式。其电力分配网络架构也较为简单。

针对电子半导体行业生产的高精度需求,电力分配网络需要满足多级分配、动态负载响应、高效传输和可靠性冗余的要求[3],故优化的供电系统架构采用“双(多)电源进线+柴油发电机+UPS+DVR(动态电压恢复装置)”,中压及低压母联切换采用不停电转移负荷的无扰动快切装置(故障及异常情形下,可实现两进线电源断路器+母联断路器的并联切换)。

电力分配网络架构如图1所示,其采用单环网结构,通过光纤工业以太网实现全系统的高速数据传输和同步协调。一级配电网络负责从外部电网引入高中压主电源,经过变压器降压后分配至洁净室系统、工艺设备系统及厂务系统等核心用电区域。

一级配电网络的设计重点在于电能质量控制,需由谐波抑制器和动态电压恢复设备保证供电电压的稳定性,避免因瞬时波动对光刻机等精密设备造成干扰。

在二级配电网络中,系统根据功能区划分为压缩空气系统(compressedDryAir,cDA)、工艺冷却水系统(Processcoolingwater,pcw)、特气供应系统及化学品处理系统等,分别配置独立的分配单元。这种区域化分配策略能够优化供电路径,降低电力传输损耗,并提升电力分配的精准性。

由于洁净室环境对电力分配架构提出了更高要求,尤其是在高洁净度环境(ISO1级)中,需采用低电磁干扰的屏蔽措施,并由等电位接地网络确保设备间的电磁兼容性。此外,洁净室供电网络还需设置分段式隔离开关和备用电源接口,以应对突发断电或电源设备故障。图1中的电力分配网络架构简图展示了一个典型的三级分布式供电网络:一级供电主干为高中压电缆网络,负责大功率传输;二级分配单元通过分段化管理匹配不同负载需求;三级末端供电则覆盖特定工艺设备(化学气体供应、废水处理等),并配备负荷切换装置以保证连续供电。此外,网络中集成了动态负载平衡技术,通过对全厂功率需求的实时分析,优化电力分配路径,降低局部过载风险。

2.2 UPS及应急发电设计

半导体生产中的光刻机、刻蚀设备以及其他精密工艺设备对电源中断的容忍时间通常小于10ms[4]。因此,应急备用电源应围绕重要关键负荷,以满足电力异常情形下的持续供电。

不间断电源(UninterruptiBle powerSupply,UpS)系统的核心在于实现短时间内的供电无缝切换,其配置需考虑总负载容量、后备时间和输出波形质量。在典型的12英寸晶圆厂中,洁净室和关键工艺设备的负载功率约为5 MW,对应UPS系统的容量应至少选取为6 MW,以满足峰值负载和备用需求。采用双转换在线式UPS,由整流器与逆变器对输入电压波动进行精确调节,将谐波失真控制在3%以下,并实现输出电压稳定在±1%。后备电池系统通常使用锂离子电池或磷酸铁锂电池,其放电效率高达95%,循环寿命可达5 000次以上。

应急发电系统采用柴油发电机组与自动转换开关相结合的方式,确保在市电故障情况下快速切换供电。柴油发电机组容量应至少为关键负载总功率的1.2倍,选用单机容量为2~4 MW的模块化并联机组,能够在10S内达到满负荷输出。发电机组的稳态频率偏差需控制在±0.5Hz以内,电压调整率不超过±1%。燃油供应系统设计时需考虑24 h的连续运行储备,标准配置为双壁燃油储罐和智能加油系统,同时设置防泄漏和防火安全装置。

2.3 主干电力系统N+1冗余优化

在主变压器设计中,额定容量为10~20MVA,N+1冗余配置下,每组主变压器按70%~80%的负载率运行,备用变压器能够在60 mS内自动切换接入系统,避免负载丢失。为提高电能质量,每组主变压器均配置有载调压开关,以保证输出电压波动控制在±1%以内,同时加装谐波滤波装置,使总谐波畸变率小于3%。配电母线采用分段式母线架构,每段母线均配备独立断路器和分布式控制模块[5]。断路器选型为真空断路器,额定电流为2 000 A,分断能力高达50kA。通过母线耦合器实现主母线间的负载切换,切换时间控制在≤0.5 S,确保关键工艺设备的供电连续性。主供电线路采用双回路设计,每条线路配置独立的自动重合闸和负载隔离开关,其中导体选用XLPE绝缘电缆,单回路输送容量可达5 MW以上。

2.4其他重要环节设计及优化

在设计电子半导体行业的供配电方案时,除常规设备选型外,还应重点考虑以下几个方面:

1)改善供电电源。在常见的中压10 kV系统中,同一线路中的供电负荷众多,用电设备故障导致整条线路的电压干扰发生概率大,严重影响芯片制造企业内部设备的正常工作,因此建议采用更高电压等级(如110 kV)的供电网络对其进行供电。若采用10 kV或35 kV供电系统,则应尽可能采用专线供电,且应避免与具有大功率冲击性或非线性设备的用户同母线供电。

2)采用快速切换开关进行电源切换。在有备用电源的场合,为了实现不间断供电,传统的方法是用开关断路器将用户从故障线段切换到无故障母线。目前,在中压和高压系统中大多采用机械切换开关,这种机械开关本身固有的特性使得其切换速度和暂态特性都不十分理想,不可能做到“无缝隙”切换。机械开关典型的切换时间在数秒至数十秒间,即使采用真空开关,最快也需要0.1~0.2S。这相当于在5~10个周波时间内,半导体芯片制造企业的供电系统将失去供电电源,造成短时的供电中断。而现代敏感负荷要求在几十毫秒甚至20 mS内切换电源,普通机械开关是不可能做到的。以晶闸管为代表的开关器件的导通时间则可达到微秒级,且在开关过程中不产生电弧。利用基于半导体器件的电力电子开关代替或改造传统的机械切换开关,将有效解决传统机械开关的固有问题,大大提高切换速度,延长开关的使用寿命,满足敏感和关键负载对供电可靠性和电能质量的苛刻要求。

3)采用动态电压恢复器(DVR)及动态无功补偿器(SVG)抑制电压波动。DVR一般由基于全控型电力电子器件的电压源型逆变器构成,设备串联于电源与敏感负荷间。负荷正常运行时,DVR被旁路,由系统提供电压;当系统电压发生暂降时,DVR可在数毫秒内通过电压源型逆变器输出补偿电压,对凹陷电压进行有效补偿,从而确保负荷供电电压保持恒定。由于DVR采用基于全控型器件的电力电子器件及数字控制系统,因此设备响应速度快、补偿准确;此外,电压暂降发生时仅需补偿电压凹陷部分的电压,补偿容量小、效率高。DVR能在10 kV/35 kV电压等级应用,保证整个厂区负荷免受电压暂降的影响。而SVG动态无功补偿器相较于传统的SVC静态无功补偿,则有极大的性能优势。

4)谐波治理。采用有源电力滤波器(APF)重点治理5次、7次谐波,合理配置滤波器,以降低谐波畸变率。

5)智能配电管理系统。除了高可靠性的系统架构设计、优异的一次/二次设备选型外,经济性、高能耗的节能低碳,也是设计需要考虑的重点。比如,采用基于物联网(I0T)技术的智能配电管理系统以实现电能质量实时监测,优化负载分配;部分电子半导体工厂采用光伏+储能系统(ESS)作为主配电系统的补充。

3测试与结果分析

3.1测试环境

测试实验在一个典型的12英寸晶圆厂进行,关键测试对象包括主干电力系统、UPS模块、应急发电机组及负载设备。测试区域的总供电容量为12 MW,分为3个负载区(洁净室供电区、工艺设备区、辅助系统区),分别承担4.8、5.6、1.6 MW的动态负载。UPS模块:双转换在线式UPS,型号为APC-GX15KVA,输出功率15 KVA,转换效率96%;柴油发电机组:型号为Cummins-QSk60,单机容量3MW,稳态频率偏差±0.5Hz;谐波抑制设备:型号为Schneider-HA2200,可抑制谐波畸变至THD<3%;负载设备:动态模拟器Chr0ma-63800,负载变化范围0~2 MW。

3.2测试步骤

1)基线测试:在传统供配电系统(无N+1冗余设计)的条件下,模拟负载波动和单点故障情况,记录主变压器过载、电压偏差、切换时间等指标,作为对比基准。

2)N+1冗余供配电系统测试:动态负载响应测试通过动态负载模拟器模拟负载波动(0.8~1.2 MW),测试供配电系统的实时调节能力和电压稳定性;单点故障测试则关闭某一主变压器,验证备用变压器接入时间是否小于50 ms,并测试负载区域的供电恢复情况;应急切换测试需断开主电源,触发UPS和应急发电机的联动切换,记录UPS输出电压波动幅度和应急发电机组启动时间;谐波干扰测试在动态负载下测量系统谐波畸变率,验证谐波抑制设备的效果。

3)数据采集与分析:使用FMCS实时采集负载电流、电压、频率、切换时间等数据,将优化系统和传统系统性能进行对比分析。

3.3测试结果分析

实验结果如表1所示,测试表明,优化设计在电能质量、切换效率和动态响应能力上均显著优于传统供配电系统,特别是在单点故障切换时间和谐波抑制方面,优化系统表现出了优异的稳定性。

4结束语

综上所述,电子半导体行业供配电系统的优化设计直接影响生产设备运行的可靠性和生产线的连续性。本文基于典型半导体厂房的实际需求,深入分析了供配电系统在动态负载调节、主干冗余保护及应急响应方面的关键技术,提出了一系列高效优化策略。实验结果验证了优化设计在提升电能质量、缩短切换时间和增强系统稳定性方面的显著效果。

随着深度人工智能(AI)在电能质量预测中的应用,以及微电网与半导体供配电系统的协同优化等新技术在半导体行业的应用发展,其供电系统的设计与优化必将取得更大的进步。

[参考文献]

[1]王秉让,杨建峰,连建军,等.半导体行业低压配电采用弧光保护必要性分析[J].设备管理与维修,2023 (13):37-38.

[2] 陈慧.供配电工程设计中充电桩的谐波治理[J].百科论坛电子杂志,2021(1):1886-1887.

[3] 陈皓.功率半导体器件可靠性试验数据分析与管理[D].南昌:南昌大学,2022.

[4]张妍.煤矿供配电系统中谐波的分布及治理措施分析[J].矿业装备,2022(3):154-155.

[5]马凯.基于快速开关的配电系统电压暂降治理策略研究[D].北京:华北电力大学(北京),2020.

《机电信息》2025年第16期第9篇