半导体企业电压暂降治理方法的研究

王亚飞

摘 要：介绍了电压暂降对半导体企业的影响，分析了电压暂降产生的原因及危害，提出了几种电压暂降治理的方案。对几种方案进行对比分析，采用生产设备加装动态电压恢复器，有效防止电压暂降对企业生产的影响，达到治理的要求。

关键词：电能质量；电压暂降；半导体；动态电压恢复器

Abstract：The paper introduces influence of voltage sags on semiconductor companies,analyzes the reasons and harms of the voltage sags and puts forward several kinds of measures to control voltage sags.With comparative analysis on several kinds of schemes,the production equipment with dynamic voltage restorer,effectively prevent the influence of the voltage sags to the enterprise production,meets the needs of management.

Keys:Power quality;Voltage sag;Semiconductor;Dynamic voltage restorer

1. 引言

近年，半导体芯片制造业在国民经济中的作用越来越大，伴随着政府和相关企业单位在半导体制造业的投资不断增加，相关企业的规模越来越大。

但半导体企业由于其生产加工设备的工艺特殊性以及其设备的昂贵程度，对用电提出了更高的要求。

半导体行业电能质量问题主要有以下两个方面的影响：

谐波：IC测试台、PLC控制的机械手、芯片制造用的晶圆机、或变频控制的半导体机台都会产生大量的谐波，它们不但会造成机台设备自身的坏机现象，回流进电网的谐波电流还会引起其它回路的发热，电子开关误动作、供电电压不稳，甚至引起生产线停线、半成品的报废。

电压暂降：集成电路芯片制造生产过程中大规模使用电子器件和集成电路，而且自动化程度比较高。同时由于整个加工工序中设备繁多、工位器具多、工艺步骤繁多复杂。同时，除供配电系统外，还需传送系统、超纯水系统、真空系统、洁净空调系统、特殊气体分配系统来保证生产过程的顺利实施以及关键设备的安全运行。再加之半导体制造设备极为昂贵，不少设备价值高达几百万美元，并且性能极为精密，对供电电压波动极其敏感，毫秒级的电压波动，足以使得半导体工厂的工艺设备发生停机从而导致生产中断，造成巨大的直接和间接经济损失。且芯片生产制造工艺步骤繁多，常规的动态存储内存加工工艺需要200道以上工序，其中任何一步工艺出错都会直接或间接影响产品的合格率，让半导体生产厂承受巨大的损失。

谐波治理办法随着近十几年的发展，国产有源滤波器已经能够很好的进行谐波滤除，使得P.C.C点的谐波满足GB/T 14549-93 《电能质量 公共电网谐波》的要求。

但电压暂降问题一直影响着半导体行业生产的安全可靠性，故针对半导体行业的电压暂降问题，国内外的电气企业先后给出了包括加装飞轮、使用双变换在线式UPS、加装抗晃电模块、DC-BANK直流支撑及加装DVR等解决办法，并在各种特定场景中取得了一定的成果，但何种方式是彻底解决电压暂降的最佳方案没有达成一致。

因此，本文结合半导体行业的电压暂降问题以及常用的解决办法进行对比分析，给出建议。首先，对电压暂降的产生原因进行分析；其次，对各种电压暂降治理办法进行分析对比，得出各种治理办法的优劣势；再次，对加装治理设备需要注意的事项提出一些建议。

2. 电压暂降及其产生的原因介绍

2.1电压暂降介绍

电压暂降是指供电电压有效值RMS在短时间内突然大幅下降又恢复正常的现象。电压暂降在国内也称为电压骤降、电压跌落、电压瞬间波动、电压凹陷等，或俗称晃电。

国际电工委员会（IEC）将其定义为下降到额定值的90%至1%，持续时间为10ms-1min。

国际电气与电子工程师协会（IEEE）将其定义为下降到额定值的90%至10%，其典型持续时间为10ms-1min。[1]

GB/T 30137《电能质量 电压暂降与短时中断》给出定义介绍为电力系统中某点工频电压均方根值突然降低至0.1p.u.-0.9p.u.，并在短暂持续10ms-1min后恢复正常的现象^[1]。

图1 电压暂降波形及有效值的表示

通过上述定义可看出，国内外对电压暂降的定义虽然不同，但终究都是电压的有效值大幅下降又迅速回复的过程，持续时间极短。

由于电压暂降的定义，故引申出评判电压暂降影响程度的三个指标：暂降幅值、持续时间、发生频次。

2.2电压暂降产生的原因

电压暂降造成的原因较多，从整个供电结构可能发生的故障点，可分为发电端设备故障，新能源脱网、雷击杆塔或输电线路、植被或动物影响线路、施工外破及用户用电设备操作和故障等。总结起来可归纳为三类：天气原因、设备冲击、不可预知的偶然事件。[2]

GB/Z 18039.7《电磁兼容 环境 公用供电系统中的电压暂降、短时中断及其测量统计结果》这样评价电压暂降：电压暂降从来就是公用电网中的固有特征。这一评价也道出了电压暂降的一个最主要的特点：不可预知性。

2.3电压暂降的危害

由于电压暂降的不可预知性，在电能质量管理指标：电压偏差、频率偏差、谐波、电压不平衡、电压波动与闪变、电压暂降，其中电压暂降问题对高新制造产业和现代服务业的影响最为严重。各国或地区每年由于电压暂降造成的损失见表1。

国家或地区	电能质量问题导致的经济损失
美国	约1500亿美元/年
欧盟	约1500亿欧元/年
上海	约1亿元/年（29个样本企业）
台湾省	37.03美元/kw(高新技术产业)

表1 电压暂降损失

注：数据来源于莱昂纳多电能质量调查，美国电科院电能质量调查，亚洲电能质量联盟调查。

电压暂降影响尤为突出的当属半导体。使得电压暂降成为电能质量问题中影响最大的因素。电压暂降可造成半导体及精密电子行业的产品质量下降或产线停产；造成汽车制造行业工业机器人停机或设备误动作；造成移动通讯数据中心等通讯故障，数据丢失等。各行业电能质量扰动的成本构成见图2。

电压暂降造成的损失中，流程损失成本在电能质量成本中几乎占到50%，也是诸多损失方面中引起经济损失最大的单项来源，同时过程延迟成本的损失占比也超过了30%。各行业电压暂降成本构成因素见图3。

图2 电能质量扰动的成本构成	图3 电压暂降成本的构成因素

3. 电压暂降的治理办法选择

针对电压暂降的影响，国家电网指出电压暂降防治工作是一项系统性、社会性的难题。针对电压暂降的防治策略给出了三个方面的建议：电网公司，加强电网建设及运维管理，降低故障率；设备厂家，根据标准要求，提高设备抗扰度；电力用户，完善规划设计，按需合理配置电能质量防护设备。

电网公司主要是加强电网建设及运维管理，降低故障率。推动架空线入地，降低外破风险，依托国网六大预警中心，强化防雷、台风等监测，加强鸟害、异物等外破因素防范。

半导体设备企业提高设备抗扰度，敏感工艺、生产设备应满足半导体行业的SEMI F47曲线和信息产业的ITIC曲线的考扰度要求。

图4 SEMI F47曲线	图5 ITIC曲线

对于企业用电主要要做的就是做好合理的配置防护设备。以下就双变换在线式UPS、DC-BANK直流支撑与动态电压恢复器DVR的工作原理，治理效果及优缺点做简单对比分析。

3.1电压暂降常规治理办法原理介绍

3.1.1双变换在线式UPS工作原理

双变换UPS需要进行两次电力变换。即市电交流输入电源首先经整流器变换为直流电，然后再经逆变器变换为交流电。

双变换在线式UPS串联在电网与供电负载之间，通过其自身的储能，可在电网电压扰动的时候通过自身储能给负载进行暂时的供电，同时，由于其整流逆变串联在系统当中，并且一直在工作，故双变换在线式UPS能进行频率和电压的实时在线调节。但由于其工作模式特点，会产生谐波污染电网，而且自身损耗大，发热严重。[3]

图6 双变换在线式UPS原理框图

3.1.2 DC-BANK直流支撑工作原理

DC-BANK系统主要功能是在交流电网电压暂降或短时中断时静态旁路开关开通及时为变频器提供直流支撑电源，在交直流电源之间达到无扰动切换，保证变频器继续运行并驱动电动机。

DC-BANK系统基于变频器的系统组织架构。主回路供电在市电正常情况下,经交流配电系统、变频器、电动机受电端，驱动电机带动各用电设备连续运行。

由于其是对直流部分进行保护，故其应用具有局限性。且需对用电设备进行改造。但其具有良好的运行特性，故对直流应用场合较为适合。

图7 DC-BANK工作原理框图

3.1.3动态电压恢复器DVR工作原理

DVR串联在供电电源和受保护的负载之间，它会持续监测输入侧电源电压，一旦发现供电电压偏离额定电压水平，DVR会立即切断输入侧电源（一般是市电）的电压，同时从装置自带的储能器件（超级电容）中吸取所需的能量，通过三相桥式逆变电路系统产生一个与电网电压大小、相位均相同的电压注入系统，短时为负载提供质量合格的电能；而当装置检测到出入侧电压恢复正常后，通过装置内部自带的晶闸管将三相桥式逆变电路旁路，系统恢复正常运行。[4]

图8 DVR工作原理框图

3.2电压暂降常用设备技术对比

性能指标	双变换在线式UPS	DC-BANK	DVR
保护类型	交流电	直流电	交流电
工作方式	在线式	后备式	后备式
效率	90%	98%	＞99%
响应时间	0ms	直流0ms，交流取决变频器逆变速度	＜2ms
储能方式	蓄电池	蓄电池	超级电容
储能维护量	电池蓄定期维护	电池蓄定期维护	超级电容无需维护
接入方式	串联设备前端	需对变频器的直流部分进行改造	串联设备前端

表2 不同电压暂降补偿方式性能对比

通过表2可知，在双变换在线式UPS在用于电压暂降保护时面临的最主要问题是效率过低、后期电池维护以及抗过载能力；DC-BANK主要问题是只能应用于直流保护系统、对变频器改造过程中可能造成变频器的不质保、各种变频器的直流电压可能存在差异，存在接入调整的问题、蓄电池也需要定期维护；DVR主要问题是有补偿时间，但只要控制在5ms之内，负载不会受到任何影响。

所以综合以上的对比分析，DVR在电压暂降保护过程中，由于其为后备式的高效率，同时无需对设备进行改造，该技术路线在半导体行业中开始得到广泛的应用。基于以上的对比，某半导体企业在三条产线采用了DVR的保护方案。取得了良好的电压暂降保护效果。

4. DVR在设备保护中的设计注意事项

4.1 设备元器件容量选择注意点

晶闸管及逆变模块均有一定的过载能力，在设备选型初期均需考虑实际现场情况，如电机直启场合需考虑启动冲击，带隔离变压器负载需考虑励磁电流的问题，需额外考虑设计冗余。

4.2 保护阀值设定注意点

在设备负载端机台或者变频器等含整流电路负载中，直流电容能量在电压异常期间两端电压急剧下降，使DVR在补偿时，短时间内相当于通过整流二极管与直流电容短路（电容电压压降越大，冲击越大），DVR设备在设备设计时需考虑特定场合保护输出时候的设备冲击，需调整保护设定值，否则将很容易造成设备保护停机。

5. 结束语

除额外加装电压暂降保护设备以外，也可通过调整内部设备进行系统优化，例如电压脱扣器，可通过合理整定动作阀值、设置延时或拆除等措施，可以避开电压暂降的影响；变频器也可以通过合理调整变频器停机的电压及持续时间阀值，并合理配置故障后自行启动功能，以增强其电压暂降抗扰动能力。

总之，电压暂降的防治可以通过前期用电设计，供电局线路优化，生产设备性能提升以及后期加装保护设备来实现，可结合企业自身特点，选择最有方案。

【参考文献】

1. 苗竹梅，王冲，刘伟，等。电子企业的电压暂降分析与对策//智能电网，Smart Grid，2016：12

2. 王俊，付毓敏，杨艳丽，等。电压暂降对先进制造业的影响及解决方案//供用电，Distribution & Utilization，2014：2

3. 刘创华，刘喆，刘莹，等。半导体芯片制造企业的供电需求分析及解决措施//电工技术，Electric Engineering，2018：5

4. 王振岳，杨 勇，王善林，等。某半导体企业晃电问题综合治理方案//电器与能效管理技术，,Electrical & Energy Management Technology，2017：12