先进半导体工厂应急电源接入系统架构分析

作者姓名：朱宇辰 叶啸

单位省市: 江苏省无锡市

单位邮编：214000

摘  要：本文从实际应用案例出发，例举了当下主流12寸半导体工厂的应急电源设置型式及其接入市电系统的方式，从可靠性、灵活性、成本及空间资源等方面分析了其中的优缺点，从而更好地为工程设计方案比选提供合理化建议。

关键词：系统架构，切换时间，设备成本，占地空间

Architecture analysis of emergency power access system in advanced semiconductor factory

Shanghai No.1 Branch  Yuchen Zhu，Xiao Ye

Abstract：Starting from practical application cases, this paper gives an example of the current emergency power supply setup type of the mainstream 12-inch semiconductor factory and the way of connecting to the mains power system, and analyzes the advantages and disadvantages of it from the aspects of reliability, flexibility, cost and space resources, so as to provide reasonable suggestions for the comparison of engineering design schemes.

Keywords：System architecture,Switching time,Equipment cost,Floor space

0引言

随着我国半导体产业不断发展，国内先进制程的半导体厂房越来越多。为了满足先进制程半导体工艺高用电量高可靠性的特点，在电力系统设计时需要满足全厂生产用电负荷均为一级负荷的要求，其中还有接近25%的设备为一级负荷中特别重要负荷。这些特一级负荷就需要由独立的应急电源作为保障[1]。应急电源如何设置，又是如何与市电系统进行切换，这是本文接下来的分析重点。

1应急电源

目前主流的半导体厂房，例如上海临港芯片区12寸集成电路量产项目来举例，28nm制程的芯片，其月产量在50K，市电装设容量为100MVA，要求应急电源的装设容量为14~16MVA，占全厂实际用电负荷的25%。面对如此大容量、高可靠性的应急电源需求，像蓄电池和三联供的方案从经济性和稳定性上看，显然是不合适的。因此合理的解决方案一般是采用多台柴油机组并机后，以放射式配电至生产厂房、动力厂房相应的二级变电站[2]。该项目最终采用了8台2200kW（常载）柴油发电机，并机后为全厂提供应急电源。

其实除了上述项目外，但凡是12寸半导体工厂项目均采用了柴油发电机组的供电方式，其柴发的设置容量均非常大，面对如此大容量的柴油发电机组如何与市电进行切换，既要保证电源切换的快速、可靠，又要尽可能地将柴发应急电源覆盖更多的设备，这些已经成为每个半导体厂房电气设计讨论的重中之重。

2系统架构

笔者长期从事国内半导体工厂设计和建设工作，深知每个半导体厂的工程师对柴发应急电源都非常重视，但各个半导体厂对柴发应急电源如何接入系统，与市电之间如何倒闸操作切换都有着不同的认识和想法。以下笔者例举了3种主流半导体厂的系统架构，从切换时间、设备成本、占地空间等几个最主要的参数分析它们的优缺点，以及客户需求的本质[3]。

2.1应急电源低压侧切换（方案一）

柴油发电机并机后，通过中压电缆配电至各终端变配电站。在终端变配电站内设置应急变压器，应急电源降压后与市电在低压侧进行切换（采用ATS装置），中压设备应急电源在其对应的电压侧采用中压断路器进行切换[4]，系统架构如下图所示。

图2.1应急电源低压侧切换系统图

2.2应急电源末端中压侧切换（方案二）

柴油发电机并机后，通过中压电缆配电至各终端变配电站，在终端变配电站内设置中压应急母线段，应急电源与市电在中压侧进行切换（采用中压断路器），中压设备应急电源电压若与配电电压相同可直接供电，若不相同则需要设置应急变压器，降压后在其对应的电压侧采用中压断路器进行切换。

2.3应急电源前端中压侧切换（方案三）

柴油发电机并机后与市电在柴发站进行切换（采用中压断路器），切换后通过中压电缆配电至各终端变配电站变压器高压侧。

以上3种应急电源接入的系统架构，在大部分12寸半导体工厂内都有应用案例，也是客户接受度较高的3种模式，均有着不错的可靠性和灵活性。但其不同的系统架构特性，使得其在系统切换时间、设备投资成本、所需站房面积上有着很多不同之处。本文以下将着重分析这些不同之处。

3切换时间

从市电电源与应急电源之间的切换时间来看，方案一切换时间最短，方案三次之，方案二所需时间最长。这是由于方案一是低压侧切换，切换采用ATS电源自动转换装置，当市电丢失后，柴油发电机组可立即启动，应急变压器逐台投入，柴油发电机最快15秒可完成启动，第一台应急变压器30秒之内即可将应急电源投入使用[5]。

方案二的市电电源和柴发应急电源在末端中压侧切换，市电大于柴发容量。柴发投入时需检查所带负荷容量，若柴发应急电源无法满足，则需要将非重要负荷切除后方能投入柴发应急电源。这个过程所需的时间分两部分，一个是柴发启动和投入的时间约为3分钟，另一个是切除非重要负荷的时间，工艺设备根据重要性从低到高逐一切除，厂务设备按所需的最低需求保留。虽然这两部分动作可同时进行，但根据演练得出的结论，整个应急电源切换时间大于5分钟。

方案三的市电电源和柴发应急电源在前端柴发侧切换，由于市电和柴发容量是相等，在断电的时候，需先将市电断开，待柴发全部启动完毕后再将应急电源投入，虽然柴发可同时启动，但需时间逐台投入，因此整个应急电源切换时间会在3分钟左右。

4设备成本

虽然方案一在切换时间上有很大优势，但是这个方案的每一路应急电源都需要配置应急变压器、低压柜、ATS装置和联络母线，其设备成本相较于其他两个方案会高出很多，约占整个电力系统的12%。

方案二和方案三的设备成本差不太多，一个是应急电源由柴发室配电至各中压配电室，会增加这一段应急电源所需的配电电缆。另一个是电源从总降站先配电至柴发室，经过应急母排再配电至各个中压配电室，因此会增加220kV变电站至柴发室的配电电缆。

采用方案三是否经济合理，很大程度上是取决于总平面图的规划，如果总降站、柴发室、生产厂房配电室，这几者之间的相对位置比较靠近，并且配电路由无多余的绕路浪费，则这个方案会使非常经济的，反之如果三者相互远离，又或者生产厂房夹在总降站和柴发室的中间，这样会使得电缆绕路，造价成本飙升。

5占地空间

方案一在设备成本上会高出许多，同样的在占地空间上也处于劣势，为了塞下应急变压器、低压柜、ATS装置这一大套应急电源配电装置，会多占用15%的变电站面积。由于每个厂房的柱网尺寸各不相同，若采用4.8m的柱网时，这套方案会占用更多的空间。

方案二和方案三在高压侧切换，会增加一部分高压柜，但是总体数量不会很多，对站房的空间需求不大，因此可以忽略不计。

其实我们在方案二的基础上还可以增加一个中压应急段，形成一个衍生方案，这个方案是位于方案一和方案二之间的一种系统构架。其切换时间优于方案二、不如方案一，设备成本和占地空间反之，但是这个衍生方案会使得中压配电级数增加，系统结构复杂，保护难以匹配，加之采用此方案的工厂极少，因此在这里就不过多展开分析。

6总结

在半导体工厂生产运行时，面对可能突如其来的停电事故，应急电源需要时刻保证能快速、准确的投入工作，保障供电的连续性和可靠性以减小对芯片生产设备、产品带来的不良影响。本文介绍的3种应急电源的系统架构，在各大主流12寸半导体工厂内均有成熟的应用案例。具体如何选择，笔者如果该半导体工厂日常运维人员较少，自动化程度较高可以选择方案一；若是该半导体工厂有较高的管理经验和较多的运维人员，从节省投资和空间的角度来看，可以选择方案二；如果该半导体工厂供电系统容量较大，而其总降站、柴发室、生产厂房这几者之间的相对位置合适，那可以选择方案三。

综上所述，对于先进半导体工厂在设计和建设时，设计承包商和客户应该结合工厂的自身情况，选择最适合自己的应急电源系统架构方案，并且应对此方案制作出一套完整的应急预案，再经过反复演练，这样才能在事故发生时将对生产的影响降到最低。随着日后技术的发展，应急电源类的电气设备也会持续地推陈出新，相信半导体工厂的供电可靠保障必会得到进一步的提升。

参考文献

[1]中国航空规划设计研究院总院有限公司. 工业与民用供配电设计手册（第四版）[M].北京：中国电力出版社,2016.

[2]王毅勃,唐鹤,任敏,杨沐. 集成电路工程设计技术[M].电子科技大学出版社,2023.

[3]何勖. 冗余的柴油发电机组应急电源系统切换方案探讨[J].电力设备管理，2021（06）：176-178.

[4]刘义. 柴油发电机组应急电源自动投切低压供电系统的研究[J].轻金属，2023（01）：60-62

[5]丁雪鹏,吴攀峰. 数据中心20 kV供配电系统及柴油发电机组的设计[J] .电气应用，2020,39（05）：89-93

【作者简介】

朱宇辰，1987年10月，上海，2010年6月毕业于华东理工大学电气工程及其自动化专业，中级工程师，注册电气工程师（供配电），上海一分院电气所所长。

叶啸，1989年5月，上海，2012年6月毕业于华东理工大学自动化专业，中级工程师。