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半导体行当怎么样抉择供配电系统方案,准确选

2019-11-09 03:18

信息技术已经广泛深入应用到工业领域的生产、运营、管理等各个环节,工业生产正向精细化发展,各种高端、精密设备大量投入使用。集成电路晶圆代工企业的精密设备,大型钢铁集团轧钢厂所采用的自动化进口设备,海洋作业和船舶的通讯、导航系统,石油化工企业生产线所用的自动控制设备、DCS、计算机等,即便是短暂的电压闪变、跌落或瞬时供电中断也会造成整个生产过程的停滞、产品报废,甚至设备损坏。因此,提升系统的可靠性,是工业企业在动力平台建设过程中首先考虑的问题。

进入21世纪,半导体器件更是无处不在,已成为构筑信息化社会的基石。半导体技术正扮演着多元应用的智能核心,成为一切智能制造的“大脑”。芯片对于一个国家的战略意义是不言而喻的。尤其是随着互联网时代的到来,各行各业对于芯片的需求量也是越来越大,不管是物联网、云计算还是大数据,亦或是其他什么依托于互联网的产业,其背后最大的功臣都是小小的芯片。因为芯片是信息存储的载体,有了芯片才有信息从存储和交互,而随着时代的发展,对芯片的需求量越来愈大,对其质量要求也越来越高。

1 概述  随着工业规模的扩大和科学技术的发展,新工艺、新技术广泛应用于工业生产和人民生活的各个方面,越来越多的用户采用了性能好、效率高,但对电源特性变化敏感的高科技设备,电力用户对电能质量的要求在不断提高。  据统计,在欧洲和美国,电力部门与用户对电压暂降的关注程度比对其他有关电能质量问题的关注程度要高得多。根据美国电科院的统计,90%以上的电能质量问题是由电压暂降引起。专家们认为,电压暂降已上升为最重要的电能质量问题,已成为信息社会对供电质量提出的新挑战。

使用环境和负载是选配工业 UPS 需要考虑的两大因素

随着半导体产业的快速发展,对于电力供应的需求也是与日俱增。如果电力供应跟不上,那么半导体产业的发展也必将会受到巨大的阻碍。就像近日发生的东芝工厂停电事件,虽然停电仅持续了短短十三分钟,但是由于硅晶圆的特性,停电时处于生产工序中的晶圆几乎全部报废,因此东芝的损失非常巨大。

  2 电压暂降的定义  电压暂降是指供电电压有效值在短时间内突然下降之后又恢复到正常运行状态的现象。对于电压暂降的指标,国际上至今尚未有统一标准定义。国际电气与电子工程师协会(IEEE)将电压暂降定义为供电电压有效值下降到额定值的90%~10%,持续时间为10ms~1min;国际电工委员会(IEC)将其定义为下降至额定值90%~1%,持续时间为10ms~1min。

物理环境通常在工业企业选配 UPS 时被忽略。由于受生产、制造现场因素的影响,工业应用环境中普遍存在着高温、潮湿、粉尘量大、空气污染严重等问题。在特殊工业场合,环境中的空气还可能含有腐蚀性气体,或者在震动的情况下发生机体倾斜,这些都容易造成 UPS内部部件短路而发生供电故障。因此,这就要求UPS 具有超强的环境适应能力,以综合的高性能表现来应对恶劣环境的考验。

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半导体行当怎么样抉择供配电系统方案,准确选配。  3 电压暂降产生的原因及过程  供电系统任意点上发生的电气短路是公共电网上观察到的电压暂降主要来源。短路故障在电力系统中是不可避免的,引发的原因有很多。短路会发生在相线与相线之间,相线与中线之间或者相线与大地之间,也包括任何多相短路,这导致电压暂降在相量上的复杂性。  发生短路时,在短路点上电压几乎完全突降为零。同时,所有其他点降低的程度按离短路点的远近依次影响减小。  供电系统所配备的保护装置将短路从电源上断开。断开一旦发生,断开点以外的每一点上的电压立即恢复到接近于原先值,而被断开的负荷将停电。然而,大部分故障可以自行清除,因此通过自动重合闸的作用,负荷也将很快恢复供电。刚刚描述的这种电压突然降低,随后恢复的现象称为电压暂降。  大负荷的切换,变压器的充电,大型电动机的直接启动以及某些负荷特性造成的大幅度电压变动,都可以产生与短路电流效果类似的大电流变化。尽管通常这类现象对发生点的影响一般不如短路严重,但是这类情况也可以划分为电压暂降。

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一、即使半导体行业再厉害也离不开供电设备的有力保障

  4 电压暂降的危害  电压暂降带来的危害与行业性质和负载有关。下表为部分设备对电压敏感程度的说明:

作为高端制造行业,半导体行业使用了大量高精密仪器设备,生产过程中通过中央信息系统发出指令由机台设备自动运行。但是,这些高精密生产机台设备很容易受电压暂降和市电断电影响,导致停产、废料、设备损坏等灾难发生。每一次由于断电造成的停机事故,都有可能给半导体行业带来不可估量的经济损失。

  (1)对生产造成的影响  a.影响设备的正常运行,造成产品质量下降;  b.精密产品的损坏和浪费,原料报废;  c.自动化装置停顿或误动作,变频调速器停顿;  d.引起接触器脱扣或低压保护启动,造成电动机,电梯等停顿;  e.引起高温光源(碘钨灯)熄灭;  f.使生产线紊乱或中断,且跌落后的无序启动比计划断电后的有序恢复造成危害及损失大得多;  g.延误交货时间。

因芯片在生产过程中,一旦发生断电,就意味着生产线上所有的晶圆可能全部都要报废。首先,芯片Fab的生产需要超净生产环境,任何自然灾害对建筑的晃动都有可能造成超净环境被污染,而维持超净环境本身也是需要消耗大量电力。而一旦停电,超净环境就可能会被污染,整个产线上的晶圆可能就要报废。同时,芯片生产设备的断电将会带来更大的损失。所以该行业对电能质量要求极为严苛,可靠、稳定、智能、绿色的电力保障是半导体企业数字化高效运转的重要保障。

  (2)对电气设备造成损害  a.计算机系统失灵、数据丢失、生产线上电机停顿、变频器失压保护动作、可编程逻辑控制器(PLC)失灵等;  b.医院中用计算机控制的脑外科,心血管外科,眼科手术等,电压跌落而造成的设备不能正常工作时带来严重后果;  c.是电气设备寿命缩短甚至损坏。

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  (3)对公司财政造成影响  a.降低1-2%工厂效率;  b.降低劳动工时利用率;  c.设备投资回报率低;  d.加大维护费用;  e.增加额外备品备件支出。

二、半导体企业面临的供电问题

  5 电压暂降的治理措施  电压暂降的治理措施应该从三方面讨论:供电系统、设备制造商、用户业主,三者需要共同合作,协作解决。如图1所示:

半导体的厂务工作要保证生产过程的可靠、持续运行,同时基于能耗的考量,目前半导体厂务也非常强调绿色节能。因此,如何保证生产不间断运行和最大程度实现绿色节能,是半导体厂务目前面临的两大挑战。

  5.1 供电系统  如若某地区存在电压暂降的频率较大,持续时间较长,那么首先应当考虑从供电系统方面解决问题。  在供电系统方面,主要通过采取减少故障数目、缩短故障清除时间和改变供电方式等措施解决电压暂降问题。  减少短路故障数目不仅可以减少电压暂降的发生,也可以减少供电中断事故。事实上,电力部门都已经尽最大努力来减少故障发生的频度,具体的改进措施包括:架空线入地、架空线加外绝缘、架设附加屏蔽导等。需要强调的是,这些措施的实施可能代价很高,应当通过全面衡量用电设备跳闸与各种措施之间的经济利益关系来确定合理的方案。  缩短故障清除时间虽然不能减少电压暂降发生的频率,却能明显减少电压暂降的幅值和持续时间。缩短故障清除时间的最有效措施是应用有限流作用的熔断器,这种熔断器能够在半个周期内清除故障,使得电压暂降的持续时间不超过1个周波。此外,还可以用反时延过电流继电器来缩短故障清除时间,因为与时间成反比的过电流继电器的延时是随故障电流的不断增加而减少的。  通过供电方式的改变可以有效降低电压暂降问题的严重性,但这类方法通常需要很高的代价。随着分布式发电技术的发展,以及储能技术、燃料电池技术等技术的实用化,敏感负荷附近装设电源设备成为一种可行的方案;另外,还可以采用母线分段或多设配电站的方法来限制同一回供电母线上的馈线数;为了增加与故障点间的电气距离,还可以在系统中的关键位置安装限流线圈,等等。总之,采用这类方法时,电压质量的改善是通过增加更多的线路及配电设备达到的,考虑到投资与效益的权衡,这类方法通常仅适用于对供电质量要求高的工业和商业用户。  另外,在必要情况下,供电部门应对电能质量进行准确监测,以便为确定设备敏感度和解决设备敏感度问题提供资料。

虽然半导体厂务的工作范围很广泛,但是可靠供电是厂务工作的首要目标。然而,半导体生产在供电保障上却常常面临两个突出问题。半导体工厂采用两路一级市电供电,能够满足一般情况下的供电需求,但是如果遇到恶劣天气、施工意外等不可预测的突发情况,就会带来市电断电和电压暂降的风险,这将会给半导体生产造成严重后果。

  5.2 设备制造商  如若设备在大多数电压暂降的干扰下都不能正常工作,甚至发生跳闸,说明该设备不适应这种工作环境,应该考虑从设备制造商反面解决问题。  设备制造商可以降低设备对电压暂降的敏感度或影响。用户在设备订货合同中向制造商明确这方面的技术要求,使设备具备一定的抗电压暂降能力;也可以通过分析,调整内部某些环节参数来解决。如果电压暂降是由于用户大电动机启动引起的,则直接采取改进启动方式(如:全压启动改为降压启动,硬启动改为软启动)或增加公共连接点(PCC)的短路容量来解决。

三、UPS系统在半导体行业使用中要考虑哪些方面

  5.3 用户业主  现实的情况是供电系统难以保证能够提供完美的电力,并且往往也并不能要求设备制造商提供免疫电压暂降的设备。因此,目前应用最普遍也是比较推荐的治理电压暂降的措施是在供电系统与用户设备之间加装补偿装置,常见的补偿装置包括:不间断电源(UPS—Uninterruptible Power Supply)、固态切换开关(SSTS—Solid State Transfer Switch)、动态电压恢复器(DVR—Dynamic Voltage Restorer)。下面分别具体介绍:

目前既可以为长时间市电断电提供保障,又能解决短时间电压暂降问题,只有UPS系统能够做到。UPS系统作为后备电源,为半导体工厂重要的生产工艺设备和厂务辅助设备提供着重要的电力支撑。既然UPS系统是保障半导体工厂供电可靠性的重要屏障,在实际应用中,又需要重点考量产品的哪些关键因素?

  (1)不间断电源(UPS)  不间断电源Uninterruptible Power Supply,简称UPS。UPS是广为所知的一种设备,主要采取电池等化学能来进行储能,当电网断电时,UPS是解决供电中断的有效方法,能提供几分钟到几小时的电能供应,同时也能抑制电压暂降。  UPS采用在线方式时,电压暂降就得到抑制,但这种方式能耗比较大,约为8%-12%;采用后备方式时,采用快速固态开关,电压暂降几乎不会对设备造成影响。如果企业敏感负荷所占比重较大,此时需要大功率UPS,所需费用太大而不现实,并且UPS也有其致命的弱点:UPS储能电池维护成本较高。UPS占地面积较大,不适合工厂电力改造工作。UPS不适用于负荷剧烈变动的负载,如变频电机、伺服驱动系统、智能机器人等对电网冲击性大的负荷,不然很容易引起其储能电池故障。

皇家国际官网,1、提高UPS供电设备的可维护性

  (2)固态高速切换开关(SSTS)  固态高速切换开关Solid State Transfer Switch,简称SSTS。当工厂或者用户配电系统是由两条不同母线或者不同变电所的线路供电时,为了防止供电中断及电压暂降的影响,当一路电压有问题时,可快速(SSTS切换速度为5~12ms)切换至另一路电源,从而保证负荷供电的连续性。并且SSTS在开关过程中不产生电弧,体积小、价格低、免维护。根据厂家提供的技术参数,SSTS在电压中断或者下降时,能在13ms内切换到正常电源,可以满足很多设备对电压暂降的影响。该产品适用于各级变电站、开闭所、配电室、终端负荷等有两路或两路以上独立电源的新建或已存在的供电场合。使用SSTS进行全厂级电压暂降治理,只需要将SSTS串接在原配电系统中,具有改造简单,调试方便的优点。设备投资整体费用也低于采用UPS的方案,是一种理想的大功率负荷电压骤降的解决方案,但SSTS需要有备用电源这个前提条件。

降低维护时间是提高可用性的另一重要途径。模块化设计可以有效改善易维护性,降低维护时间。UPS设备各个功能单元模块化之后,故障之后只需更换上相应备件即可,大幅降低了维护的技术门槛,运维人员可自行更换维护。不但维护成本可有效降低,故障修复时间也可大幅缩短,从而将业务损失降到最低。另外,模块化易于实现在线维护,即故障修复期间负载可以不断电。如果需要断电才能维护,就需要拉备用电源为负载供电,这样维护非常复杂,而且维护时间很长。

  (3)动态电压恢复器(DVR)  动态电压恢复器Dynamic Voltage Restorer,简称DVR。对于敏感负荷,解决电压暂降问题的一个有效措施就是在供电电源与负荷设备之间加装DVR设备。DVR能在毫秒级的时间内给负荷侧补偿适当的跌落电压,让负载侧恢复正常电压,消除电压暂降影响。  响应时间、暂降保护深度是体现DVR补偿性能的两个重要参数。响应时间包含检测时间和动作时间。目前市面上已经有了采用超级电容的DVR产品,能有效提高动态电压恢复器的响应时间。暂降保护范围,即补偿深度。市面上销售的DVR产品,都可以补偿三相电压发生30%跌落的电压。单相电压补偿能力会比三相补偿更好些。短时电压扰动是造成工厂设备产生次品的主要原因,DVR在5ms内能产生补偿电压,抵消市电所受干扰,使工厂设备几乎感受不到电压扰动,保证了工厂设备的安全可靠运行。不过DVR具有致命性缺陷,即电网电压跌至50%以下,或完全中断时,DVR无法进行有效补偿。不过在电压跌落在0-50%范围时,且不中断的情况下,DVR是一种较好的解决方案。

2、提高UPS供电设备的易用性

厦门奕昕科技有限公司是专业从事电能质量测试、电能质量评估的第三方检测评估机构。已通过福建省质量技术监督局计量认证(CMA资质),是福建省第一批独立第三方电能质量检测服务机构,专门从事电能质量检测评估工作,以国家标准为准绳,为工农业生产和工程项目出具科学、准确、可靠的检测数据,出具盖有CMA章的检验报告可用于产品质量评价、成果及司法鉴定,具有法律效力。

易用性是供电设备“可用性”的升华,直接影响用户的产品体验。从用户的角度看,需要从以下几个方面改善:①易搬运、易安装。这需要产品体积足够小,重量足够轻,并且是模块化可分解,从而降低搬运和安装的难度。此外UPS是否支持上下进线,是否支持并柜安装等都将影响安装的难度。②易扩容。数据中心一般都有未来的扩容计划,以匹配未来的业务增长需要。而现网的UPS供电设备为了确保可靠性通常供电路径非常复杂,牵一发而动全身,扩容非常不便,即使条件满足也有负载断电的重大风险。这样的供电现状显然是不易用的。如果能够像通信电源一样,功率模块可以热插拔,扩容只需采购功率模块在线插进去,那么扩容的易用性就可大幅改善。③易管理。UPS设备要高度智能化,各个供电节点做到可视化管理,便携化管理。比如,可以开发手机APP进行随身监控和管理。

厦门奕昕科技在电能质量检测及评估、电能质量治理等方面有着丰富的操作与管理经验和雄厚的技术实力,拥有多名高级电能质量工程师、多种高精度的检测设备以及功能强大的分析计算软件,采用精准的建模分析计算以及高精度的检测设备,通过仿真各种真实用电负载情况,快速实现对中低压配电网设备的电能质量检测及分析、能效测评及性能检测、中低压配电网的损耗机理及节能降损技术研究、中低压配电网监控设备的性能测试等。

3、UPS温度等环境要求

厦门奕昕科技以为客户寻找并解决电力应用的问题为本,为企业提供数据可靠、精准的分析、检测、评估报告,同时为企业电力建设以及电力相关节能降耗等提供咨询服务,根据预测评估及监测评估的情况,可提供专业的电能质量解决方案,从而帮助客户杜绝电力浪费和盲目的电能质量改善花费,让投资更加有效。

UPS电源供电系统应安装在具有足够通风量、凉爽、湿度不高和具有无尘条件的清洁空气的运行环境中。尽管一般UPS所允许的温度范围为0 -40°C之间,然而,如条件允许时,应将环境温度控制在 35°C以下。严禁将UPS安装在具有金属导电性的尘埃的环境中,否则会导致产生短路故障。当然,也不宜将UPS安放在靠近热源的位置上。

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不管所配的UPS蓄电池组是否配有带温度补偿的充电器。为了确保电池组的使用寿命,应该将电池房的温度控制在20°C -25°C之间。

为利于维修和散热,一般希望在机柜的四周留下0.5 -1米的空间。如上出风UPS被靠墙安装时,机柜与墙之间的距离最少应留下0.1米的距离。注意:部分UPS系列采用后出风设计,不能靠墙安装。用户在设计UPS机房的通风冷却系统时,请参看各种UPS的功耗和通风量数据。

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