应急电源系统在芯片制造工厂中的应用

石贵春

（合肥长鑫集成电路有限责任公司，安徽 合肥 241000）

0 引 言

缺芯少魂一直是困扰中国信息产业发展和安全的难题。为了打破国外垄断格局，解决中国缺芯少魂的难题，近年来各省市都在积极争取该类项目的审批。众所周知，这一行业对电源的供应要求极其苛刻，生产中的任何电力供应中断或异常电压波动，都会造成大量原材料的报废和设备的损坏，导致重大经济损失和社会影响，同时打断该行业的正常供应链，短期内无法正常恢复生产。这就对芯片制造业的供电质量提出了极高要求，而应急电源系统在整个供电系统中更显得尤为重要。

1 芯片制造主要工艺流程

半导体芯片制造是在超高洁净度及温湿度的环境下，并同时发生大量物理、化学反应，工艺极其复杂，时间冗长。以移动终端中的高端动态存储器芯片为例，整个生产过程从硅晶圆涂膜开始到功能实现需要200多道工序，约60 d左右才能全部完成。

芯片制造首先将完好的硅晶圆投入生产线，进行涂膜光刻胶，然后利用紫外光进行曝光，在光刻胶层形成电路图案，随后将晶圆浸入刻蚀药剂中进行刻蚀，最后导入特定杂质完成掺杂和镀膜，并不断反复上述工艺过程，最终在晶圆表面沉积绝缘层来保护晶体管，这便是芯片制造的大致过程[1]。

从上述的工艺流程可以看出，芯片的制造工艺技术要求苛刻、工序复杂。在整个过程中多次循环使用显影、光照、刻蚀、薄膜沉积、离子注入、抛光等设备。以光刻机为例，为保持光刻机的精度，设备在整个运输过程中也必须要保持在23 ℃的恒温状态下，对该设备的运行条件要求则更为苛刻。因此为保障整个生产过程的不间断及各关键设备的安全运行，还需要洁净室系统、超纯水系统、特气系统、化学系统、真空系统等各子系统密切配合。

2 芯片制造工厂电源分类

芯片制造工厂的电源性质通常分为Normal电、Emergency电、Uninterruptible电。

2.1 Normal电

Normal电约占芯片制造工厂总需求的70%，该类电源直接接入电网，中间无任何抗干扰的措施，受电网干扰的可能性较大，主要供应的设备有一般空调系统、照明系统、一般动力系统、一般工艺设备等。

2.2 Emergency电

Emergency电约占芯片制造工厂总需求的10%，该类电源直接接入电网，受电网干扰的可能性较大，但在电网中断电力供应时，配备的应急发电机组会在较短时间（2 min内）内重新启动，为下游负载继续供电，主要供应的设备有消防系统、应急照明系统、电梯、一般动力系统等。

2.3 Uninterruptible 电

Uninterrupted电约占芯片制造工厂总需求的20%，该类电源非直接接入电网，在负载与电网之间增加了相应的抗干扰措施，因此具有优越的抗电网干扰能力，当电网发生异常电压波动及电力供应中断时，仍可以保护负载不受干扰，继续运行。主要服务于与工艺生产密切相关的工艺设备、工艺动力系统等。

3 应急电源系统的分类

芯片制造工厂中的Emergency电与Uninterruptible电均称为应急电源系统，应急电源系统又被分为应急间断电源系统与应急不间断电源系统。

3.1 应急间断电源系统

应急间断电源系统比较简单，应用也比较成熟，通常根据负载的容量匹配多台柴油发电机组。它有两种工作模式。

（1）市电模式。当市电正常供应时，柴油发电机组离线，下游负载由市电供应。

（2）发电模式。当市电出现电力供应中断或异常电压波动时，柴油发电机组首先判断市电是否正常供电，确定市电供电异常时（中断或异常电压波动），由系统发出断开市电信号，同时向柴油发电机组发出启动信号，并在1～2 min内自动完成柴油发电机组的启动，恢复下游负载供电，但已停机设备需重新启动。

3.2 应急不间断电源系统

应急不间断电源系统目前主流实施方案有静态UPS和动态UPS两种。

3.2.1 静态UPS

静态UPS主要由整流器、逆变器、静态开关、蓄电池组和控制器等组成，是将蓄电池与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。从基本应用原理上讲，静态UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备，主要有以下几种工作模式。

（1）正常运行模式。电源经过整流-充电器和逆变器的双重转换（AC-DC-AC）对下游负载供电，同时也对电池进行浮充电。

（2）后备运行模式。当市电出现电力供应中断或异常电压波动时，逆变器与电池组无间断地投入继续为负载供电，并持续供电直至电池组放电终止。

（3）市电恢复充电模式。当市电恢复供应时，经过整流/充电器和逆变器的双重转换，一边给电池组充电，一边供应负载。静态UPS的工作模式如图1所示。

图1 静态UPS的工作模式

3.2.2 动态UPS

动态UPS主要由引擎、飞轮、同步发电机感应耦合器、电抗器等组成[2]。通长根据负载容量的大小，配备多台机组共同构成动态UPS系统，该系统技术的核心主要在飞轮储能，储能原理是电动机的电能转化为飞轮高速旋转的机械能，当市电异常时，又通过同步发电机将飞轮的机械能转化为电能，供应下游负载[3]。动态UPS主要有以下几种工作模式。

（1）市电模式。当市电正常供应时，同步发电机相当于电动机，驱动感应耦合器的外转子，而内转子（飞轮）被激励后高速带动飞轮旋转，使得飞轮始终在额定的转速下旋转，达到储能的效果。同时同步发电机与电抗器结合既可以为负载提供无功补偿，又可以作为有源滤波器，达到滤波效果，消除对电力系统的干扰。

（2）引擎模式。当市电出现电力供应中断或异常电压波动时，系统立即做出判断，飞轮的储能也立即释放，由机械能转化为电能对负载供电，与此同时引擎启动，并在极短时间内（2 s左右）快速加速至发电机的速度，由离合器自动完成二者的结合，此时引擎与耦合器共同驱动发电机对下游负载供电。在引擎与耦合器共同驱动发电机一段时间后（5～10 s左右），引擎将单独驱动发电机为下游负载供电。同时，耦合器内转子带动飞轮再次加速储能[4]。

（3）恢复市电模式。当市电恢复并稳定后，系统发出指令，离合器断开，引擎减速停机，发电机重新转化为电动机状态。动态UPS架构如图2所示。

图2 动态UPS架构

4 应急电源系统的优缺点

4.1 静态UPS

静态UPS的主要优点在于它的不间断供电能力。在市电输入正常时，静态UPS把交流电整流成直流电，然后再把直流电逆变成稳定无杂质的交流电，给后级负载使用 。一旦市电交流输入异常，如欠压了或者停电了又或者频率异常了，那么UPS会启用备用能源-蓄电池，静态UPS的整流电路会关断，相应的，会把蓄电池的直流电逆变成稳定无杂质的交流电，继续给后级负载使用。

但是静态UPS的蓄电池对工作环境要求高，电池室需要空调系统，标准环境温度下，蓄电池的使用寿命一般为3～10年。环境温度每超过许可温度10 ℃，电池的使用寿命将减少一半，蓄电池的老化还会造成静态UPS容量的进一步降低。同时，静态UPS的不间断供电时间不是无限的，这个时间受制于蓄电池自身储存能量的大小。如果市电出现电力供应中断或异常电压波动，那么在静态UPS的蓄电池供电的宝贵时间内，需要做的就是赶紧恢复交流电，如启用备用交流电回路、启用备用发电机发电等。

因此，为了满足芯片制造工厂中Uninterruptible电负载的供电需求，静态UPS需要另行配备柴油发电机组方可实现，但会使得整个供电系统架构极其复杂。

4.2 动态UPS

正常运行时，动态UPS由于不需要经过交流→直流、直流→交流的整流和逆变过程，系统效率更高。动态UPS因采用飞轮储能原理，供电时间不再受限制，只要油料补给及时动态UPS即可源源不断地为负载提供安全可靠的电力供应，同时动态UPS也具有无功补偿及谐波治理的功能。另外，根据负载的大小及特点，动态UPS的架构具有一定的多样性，可以为单机系统，也可以为多机并机冗余系统。动态UPS因不使用电池，寿命较静态UPS要高出许多[5]。但是动态UPS的造价成本比静态UPS及柴油发电机组要高出约50%～70%，因此芯片制造工厂中动态UPS主要供应的负载为Uninterruptible电负载。

5 工程实例

某大型半导体芯片制造工厂为12吋生产线。工厂主要用电设备全部按照一级负荷考虑，新建一座220 kV变电站，并从电网引入两回220 kV高压线路，高压母线采用双母线单分段模式合环运行，经降压至中压20 kV，并作为工厂主配电电压等级。

考虑到市电出现电力供应中断或异常电压波动，造成工艺设备停机或生产线中断，会造成很大的经济损失，Emergency电选用8套2 000 kW柴油发电机组（400 V）经升压变后接入主配电系统。Uninterruptible电选用22台（两套系统）2 300 kW动态UPS机组（400 V）经升压变后接入主配电系统，另外选用若干台小型静态UPS保障数据中心、服务器等。

（1）Emergency电。Emergency电选用8套2 000 kW柴油发电机组（400 V），经升压变后并入主配电系统。当市电电力供应中断，系统自动断开主配电系统侧电源开关，8套柴油发电机组同时启动，并在EB-EPHV-01、EB-EP-HV-02母线侧实现并机，完成并机后实现对EB-EP-HV-05、EB-EP-HV-06负载供电，整个过程控制在2 min内。

（2）Uninterruptible电。Uninterruptible电 选 用22台（两套系统）2 300 kW动态UPS机组（400 V）经升压变后接入主配电系统，每段母线上均设有手动旁路开关和自动旁路开关。正常运行时，由市电经动态UPS的配电母线并通过电抗器完成对EB-UP-HV的供电，每台动态UPS机组电力调节系统分别改善配电母线的输出电能质量，同时同步发电机转化为电动机，使每台动态UPS机组的飞轮始终保持额定速度3 000 r/mim（50 Hz）运转。当市电出现电力供应中断或异常电压波动，系统立即做出判断，飞轮的储能也立即释放，由机械能转化为电能对负载供电，与此同时引擎启动，并在极短时间内（2 s左右）快速加速至发电机的速度1 500 r/mim（50 Hz），由离合器自动完成二者的结合，此时引擎与耦合器共同驱动发电机对EB-UP-HV供电。在引擎与耦合器共同驱动发电机一段时间后（5～10 s左右），引擎将单独驱动发电机为EB-UP-HV供电。同时，耦合器内转子带动飞轮再次加速储能，速度保持为3 000 r/mim（50 Hz）。

6 结 论

半导体芯片工厂对设备运行环境、生产原料的纯净度等方面要求严苛，超高精度的复杂制程工艺决定了半导体芯片制造行业对电能质量的极高要求。芯片制造厂在建厂阶段要根据电网供应能力、负载性质、负载容量等，不断优化调整全厂供配电方案，并将Normal电、Emergency电、Uninterruptible电的配比调整到最优状态，有效解决电网干扰问题。