先进半导体工厂应急CAT蓄电池电源接入系统架构分析

0引言

随着我国半导体产业不断开展，国内先进制程的半导体厂房越来越多。为了满意先进制程半导体工艺高用电量高牢靠性的特色，在电力体系规划时需求满意全厂出产用电负荷均为一级负荷的要求，其中还有挨近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求由独立的应急电源作为保证[1]。应急电源怎么设置，又是怎么与市电体系进行切换，这是本文接下来的剖析重点。

1应急电源

目前干流的半导体厂房，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%。面临如此大容量、高牢靠性的应急电源需求，像蓄电池和三联供的计划从经济性和稳定性上看，显然是不适宜的。因而合理的解决计划一般是选用多台柴油机组并机后，以放射式配电至出产厂房、动力厂房相应的二级变电站[2]。该项目最终选用了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选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，面临如此大容量的柴油发电机组怎么与市电进行切换，既要确保电源切换的快速、牢靠，又要尽可能地将柴发应急电源掩盖更多的设备，这些已经成为每个半导体厂房电气规划讨论的重中之重。

2体系架构

笔者长时间从事国内半导体工厂规划和建造作业，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怎么接入体系，与市电之间怎么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种干流半导体厂的体系架构，从切换时间、设备本钱、占地空间等几个最主要的参数剖析它们的优缺点，以及客户需求的实质[3]。

2.1应急电源低压侧切换（计划一）

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（选用ATS设备），中压设备应急电源在其对应的电压侧选用中压断路器进行切换[4]，体系架构如下图所示。

图2.1应急电源低压侧切换体系图

2.2应急电源结尾中压侧切换（计划二）

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（选用中压断路器），中压设备应急电源电压若与配电电压相同可直接供电，若不相同则需求设置应急变压器，降压后在其对应的电压侧选用中压断路器进行切换。

2.3应急电源前端中压侧切换（计划三）

柴油发电机并机后与市电在柴发站进行切换（选用中压断路器），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种应急电源接入的体系架构，在大部分12寸半导体工厂内都有使用事例，也是客户承受度较高的3种模式，均有着不错的牢靠性和灵活性。但其不同的体系架构特性，使得其在体系切换时间、设备出资本钱、所需站房面积上有着许多不同之处。本文以下将着重剖析这些不同之处。

3切换时间

从市电电源与应急电源之间的切换时间来看，计划一切换时间最短，计划三次之，计划二所需时间最长。这是因为计划一是低压侧切换，切换选用ATS电源自动转化设备，当市电丢掉后，柴油发电机组可当即发动，应急变压器逐台投入，柴油发电机最快15秒可完成发动，第一台应急变压器30秒之内即可将应急电源投入使用[5]。

计划二的市电电源和柴发应急电源在结尾中压侧切换，市电大于柴发容量。柴发投入时需查看所带负荷容量，若柴发应急电源无法满意，则需求将非重要负荷切除后方能投入柴发应急电源。这个进程所需的时间分两部分，一个是柴发发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。尽管这两部分动作可一起进行，但根据演练得出的定论，整个应急电源切换时间大于5分钟。

计划三的市电电源和柴发应急电源在前端柴发侧切换，因为市电和柴发容量是相等，在断电的时候，需先将市电断开，待柴发悉数发动完毕后再将应急电源投入，尽管柴发可一起发动，但需时间逐台投入，因而整个应急电源切换时间会在3分钟左右。

4设备本钱

尽管计划一在切换时间上有很大优势，可是这个计划的每一路应急电源都需求装备应急变压器、低压柜、ATS设备和联络母线，其设备本钱相较于其他两个计划会高出许多，约占整个电力体系的12%。

计划二和计划三的设备本钱差不太多，一个是应急电源由柴发室配电至各中压配电室，会添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，通过应急母排再配电至各个中压配电室，因而会添加220kV变电站至柴发室的配电电缆。

选用计划三是否经济合理，很大程度上是取决于总平面图的规划，假如总降站、柴发室、出产厂房配电室，这几者之间的相对方位比较接近，而且配电路由无多余的绕路糟蹋，则这个计划会使非常经济的，反之假如三者彼此远离，又或许出产厂房夹在总降站和柴发室的中心，这样会使得电缆绕路，造价本钱飙升。

5占地空间

计划一在设备本钱上会高出许多，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设备这一大套应急电源配电设备，会多占用15%的变电站面积。因为每个厂房的柱网尺度各不相同，若选用4.8m的柱网时，这套计划会占用更多的空间。

计划二和计划三在高压侧切换，会添加一部分高压柜，可是总体数量不会许多，对站房的空间需求不大，因而能够忽略不计。

其实咱们在计划二的基础上还能够添加一个中压应急段，形成一个衍生计划，这个计划是位于计划一和计划二之间的一种体系构架。其切换时间优于计划二、不如计划一，设备本钱和占地空间反之，可是这个衍生计划会使得中压配电级数添加，体系结构复杂，维护难以匹配，加之选用此计划的工厂很少，因而在这里就不过多展开剖析。

6总结

在半导体工厂出产运行时，面临可能突如其来的停电事端，应急电源需求时间确保能快速、准确的投入作业，保证供电的连续性和牢靠性以减小对芯片出产设备、产品带来的不良影响。本文介绍的3种应急电源的体系架构，在各大干流12寸半导体工厂内均有成熟的使用事例。详细怎么挑选，笔者假如该半导体工厂日常运维人员较少，自动化程度较高能够挑选计划一；若是该半导体工厂有较高的管理经验和较多的运维人员，从节约出资和空间的角度来看，能够挑选计划二；假如该半导体工厂供电体系容量较大，而其总降站、柴发室、出产厂房这几者之间的相对方位适宜，那能够挑选计划三。

综上所述，对于先进半导体工厂在规划和建造时，规划承包商和客户应该结合工厂的本身情况，挑选最适合自己的应急电源体系架构计划，而且应对此计划制作出一套完整的应急预案，再通过重复演练，这样才能在事端产生时将对出产的影响降到最低。随着日后技能的开展，应急电源类的电气设备也会持续地移风易俗，信任半导体工厂的供电牢靠保证必会得到进一步的提高。