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《施耐德电气：2023国外芯片制造工厂配电架构分析白皮书（16页）.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《施耐德电气：2023国外芯片制造工厂配电架构分析白皮书（16页）.pdf（16页珍藏版）》请在本站上搜索。 1、 ELECTRA 配电系统能力中心、施耐德（中国）行业应用与开发团队配电专家，目前主要负责在电子和医疗保健两个行业的配电架构、解决方案及相关配电产品的技术工作。2003 年加入施耐德电气公司，从事过业务拓展、投标报价、项目管理、工程设计、解决方案开发及其团队管理工作。加入施耐德电气之前，在国内顶级大型设计院和国际知名工程公司有过近20 年的配电设计和项目管理工作经历。02了解半导体业务的背景和特征是供配电架构设计的第一步。半导体芯片制造是一项非常成熟的业务，主要体现在 24/7 全天候运行模式，而这种运行模式已经有几十年的历史。对于一个新建芯片制造工厂，每个企业都会根据工厂所在国家和地区的相关2、规范和规定以及企业自身的运行习惯和关注点，最终确定工厂的供配电架构。因此很多半导体制造企业也逐步形成了各自的“标准供配电架构”，咨询公司或 EPC 承包商将会参照企业的“标准配电架构”并结合企业的需求设计供配电架构并编写项目招标文件中，从而确定最终的合格配电产品及其供应商。1 概述1.1 半导体芯片制造背景企业的关注点是供配电架构设计的重要因素之一。每个半导体企业的关注点不尽相同，从施耐德电气在半导体行业的经验以及与一些国际知名半导体企业的研讨中得知，企业的关注点和发展趋势主要集中在以下几个方面，针对这些关注点施耐德电气制订了相应的解决方案。总体拥有成本（TCO）建厂时的配电设施资本支出（CA3、PEX）只占整个工厂的很小部分，而大部分分配给了生产过程所需要的基础设施和工艺机台设备。但生产运行时的用电费用占整个运营成本（OPEX）的 15%至 30%。为了降低每个芯片的能耗成本，就需要提高工艺生产和公用工程的能源效率。施耐德电气可通过提供最优的配电系统架构、选择配电设备适合参数范围来实现最佳能源效率。如通过改变变压器的额定容量、阻抗及短路电流值来实现这一目标。1.2 半导体芯片制造企业的关注点03 电力可用性和电能质量芯片制造工厂是 24/7 全天候运行的，因此需要一直保持电力的供应。电能质量也很重要，因为一些半导体机台设备特别容易受到电压暂降的影响，可能会导致停机。电力可用性与电能质4、量构成了电力可靠性，但也要避免“过度设计”。施耐德电气是按照安全可靠电源结合“刚好够用”原则，为芯片制造工厂提高最佳配电架构设计。可扩展性、可维护性、占地优化随着半导体技术的不断提升，机台设备和基础设施需要相应改变或扩大以适应新技术发展的要求。施耐德电气结合芯片制造行业特点开发了集成配电产品（如 TPC、IPC）很好的体现了其柔性特色来应对可扩展、可维护的需求并减少占地。快速交付和运营一个超大型半导体工厂通常要在 12 个月之内建成并投入运营。施耐德电气拥有全系列配电产品以及超高效的全球供应链和积极主动的工作作风来配合快速交付和运营的需求。安全和环境影响芯片生产过程中会产生一些有毒有害物，在保5、证人员安全的同时还要尽量减少对环境的影响并限制到相关规定的允许值。施耐德电气 EcoStruxure 解决方案通过集成相应的传感器等方法来满足安全的生产的需求。资产保护保护高价值设备免受供电电源和配电设备故障或火灾带来的危害。施耐德电气应用可靠性研究来识别出潜在风险。芯片制造属高耗能工业，随着半导体行业的发展，负荷容量增大的趋势更为明显，通常会在 100MVA 以上甚至高达 600MVA，因此需要由高压（或超高压）电网供电。高压（或超高压）电网可提供稳定、可靠的电能从而避免长时间停电的发生，但仍然不能解决由于天气或其它原因带来的电压波动问题（如电压暂降 Sag 或电压骤升 Swells）以及其6、它电能质量方面的问题，这些问题都有待解决。芯片生产过程中某些特殊生产环节对于供电连续性要求非常高，发生停电可能会导致机台设备损坏，而恢复生产又需要很长时间，还会造成巨大的经济损失。而由电子元件控制的机台设备对于电能质量更为敏感，因此这部分机台设备需要由 UPS 供电。机台设备内部有大量的电子器件如晶闸管，它们不仅对谐波电压和电压波动非常敏感，承受较差电能质量的能力不是很高，同时也是主要的谐波源。由于以上原因，备用电源采用柴油发动机 并配置 UPS 的方式对于某些机台设备变为了强制性的要求。2 芯片制造工厂电源2.1 芯片制造电能应用发展趋势下图描述了芯片制造过程与能源之间的关系：2.2 芯片制7、造过程中对能源的需求04供水公司供应商化学品气电水空气处理排气废水废水处理CV/PVAMHSMEP制冷供电公司工艺生产洁净厂房UPWFMCS消防PCW电能的消耗可分为两大类，即“工艺生产”与“公用工程”。工艺生产由数百个生产工序步骤，这些生产步骤直接影响产品的产出，如蚀刻、光刻、化学气相沉积、清洗、离子注入等，而公用工程是支持工艺生产而不可缺少的设施，如产生超纯水（UPW）的水处理、N2 气生产、冷冻水、HVAC 等。公用工程还可以细分为两类，将直接在工艺生产中使用的（如超纯水、工艺冷却水、氮气等）称为“工艺生产公用工程“或”直接公用工程”，而间接参与工艺生产的（如用于建筑物冷却的冷冻水、清洁8、干燥空气等）被称为“基础设施公用工程“或”间接公用工程“。“基础设施公用工程“或”间接公用工程“在国内芯片制造企业更喜欢直观的将其称为“动力站”或“厂务”等，还有些企业把“工艺生产公用工程“或”直接公用工程”归到“工艺生产“中。下图表示了工艺生产与公用工程的生产关系及电力供应关系：每个芯片制造工厂工艺生产用电量与公用工程用电量比例不尽相同，通常工艺生产比公用工程用电量略低，但大致可以认为比例为 1：1 的关系，即各占全厂总负荷的 50%。植入、光刻、蚀刻生产过程中的机台设备、泵、高温炉及其它一些机械设备是工艺生产过程中的主要用电设备，而公用工程直接05直接电能消耗间接电能消耗参与工艺生产的超纯9、水、工艺生产的冷却水、氮气及间接参与生产的建筑冷却的冷冻水、清洁干燥的空气是主要的用电大户。下图为主要系统或设备的用电量示意图06芯片制造工厂电源可分为三类即：公共电网电源、柴油发电机备用电源和 UPS 电源。国内企业通常会分别简称为：市电、E 电和 U 电。关于 UPS 电源，除了集中式大容量 UPS 电源外，还会有供机台设备的IT 和控制用的 UPS，这种 UPS 通常为小容量分布式 UPS。工艺生产负荷按其对于电源可靠性要求的重要性可分为 3 个等级，1 级关键负荷、2 级关键负荷及 3 级关键负荷，重要性是逐步升高的。但该文中负荷等级划分与国家标准（GB）供配电系统设计规范 中负荷分级10、定义没有直接等同关系。2.3 供电电源管理2%4%6%8%10%12%14%工艺制造用电量，约占总用电量电 50%干法刻蚀扩散CVDPVD湿式台探针台其它2%4%6%8%10%12%14%16%公用工程用电量，约占总用电量电 50%MV 冷冻机冷冻机其它MV 压缩机LV 压缩机UPWPCW其它下图表示供电电源与用电负荷之间时间关系：在正常运行中，芯片制造工厂由公共电网供电。为了保障电力可用性和电能质量，3 级关键负荷和一些重要机台设备的 IT 和用于控制的负荷需要由UPS 永久供电。在公共电网停电的情况下，备用柴油发电机组逐步启动，全部启动的时间（T1）通常在 90 秒以内。07T1T2T3T11、1=90 秒T2=3 分钟T3=10 分钟HV 高压电网电源柴油发电机备用电源工艺机台 UPS 电源1 级关键负荷2 级关键负荷3 级关键负荷冷冻机负荷其他公用工程负荷电网电源恢复时刻由 SCADA 停机负荷工艺技台IT及控制UPS电源工艺负荷供电电源公用工程负荷3 芯片工厂配电架构3.1 典型配电架构3 级关键负荷（如光刻和扩散）的电力可用性是由 UPS 电源系统确保的。1 级关键负荷可以立即停机，而有些 2 级关键负荷（如 CAD、PAD 的控制部分）需要由 UPS 作为备用电源，但又不需要像 3 级关键负荷那样永久保持UPS 供电，后备时间一般约 3 分钟（T2），目的是确保正在生产中的12、批次产品顺利完成。另外还有一些负荷，依生产状态阶段性需由 UPS 作为备用电源（如湿式工作台和 CMP）并根据特定的时间和程序（工艺 SCADA）关闭，通常在 10 分钟（T3）以内。由于备用柴油发电机装机容量不能完全覆盖工厂全部负荷，为确保冷冻机在断电后重新启动并满负荷运行，有些用电负荷必须停止投运。083.2 配电架构案例分析半导体芯片工厂典型配电架构可以把配电架构分为 7 个层级：第 1 层级：公用电网层级：高压（HV）、高压/中压（HV/MV）变压器，2N 冗余设计，HV/MV 变压器容量和台数需根据芯片工厂的负荷、主中压开关柜的电压、额定电流、短路电流等参数的目标设计值确定。变压器二13、次侧配电标称电压需根据所在国家的电压等级确定（如在中国，通常为 35kV、20kV 和 10kV）。第 2 层级：工厂侧中压（MV）层级：按 2N 冗余设计。中压配电可分主MV 开关柜（全厂级）和二次 MV 开关柜（车间级）。主 MV 开关柜采用较高电气参数开关柜（称为一次柜，如施耐德 40.5kV 气体绝缘柜 WSG 或 24kV 空气绝缘的 PIX），车间级的 MV 开关柜可采用一次开关柜（如施耐德 PIX 柜）也可以采用二次开关柜（如施耐德 GMA、Premset 等)。第 3 层级：备用柴油发电机，可选用中压柴油发电机也可选用低压柴油发电机。第 4 层级：中压/低压（MV/LV）变压器14、，按 2N 或 N+1 冗余设计（大多采用 2N 冗余）,单台变压器的容量根据二次侧配电标称电压（400V、480V或 690V）的不同选择，通常在 4MVA 到 6MVA。中压/低压变电站整体解决方案概念是将中压柜、低压柜、变压器及控制系统打包。第 5 层级：低压（LV）主开关柜，母线额定电流 5000A 到 6000A，通过母线断路器实现冗余。第 6 层级：关键电源，用于关键工艺机台设备的 UPS 电源。第 7 层 级：终 端 配 电 屏，终 端 配 电用于工艺 机台 设 备 额 定电 压 为：400V、480V 和 208V（带变压器或不带变压器），用于公用工程设备额定电压为：690V、15、480V 和 400V。每个半导体芯片工厂的配电架构之间差异较大，国际知名大企业通常都有各自公司的规定而对供电电源的冗余、中压配电为集中式或分布式、关键电源采用静态 UPS 还是动态 UPS 等都有强制要求。这里给出了 2 个配电架构09案例，需要说明的是该配电架构并非芯片工厂真实案例，为了分析不同配电架构结合了多家配电架构的特点绘制的。案例 1 主要特点：采用 2N 冗余，中压集中配电方式，根据负载的额定电压设置各个不同电压等级低压变电所，如 380V、480V、208V（当需要UPS 关键电源时，设置 20/0.4kV 和 400/208V 变压器）。低压配电系统设置应急母线，当公共电网退16、出供电时，起动备用柴油发电机并通过 ATS 切换到应急母线保证关键负荷和消防等重要负荷的供电需求，该配电架构被国内芯片工厂采用较多。配电架构图 1案例 2 主要特点：采用 2N 冗余，中、低压分布式配电方式，低压主配电电压只设有一个电压等级如 480V，负荷端配置带有隔离变压器的配电柜（IPC 柜或 TPC 柜），隔离变压器二次侧电压与用电设备额定电压相匹配，如机台设备用电电压为 208V 时，隔离变压器电压为 480/208V，容量通常为300kVA 或 450kVA。分布式配电可能前期投入成本较大但后期运行线路损耗较少。10配电架构图 211优化总体拥有成本（TCO）除了降低建厂初期的投资17、成本（CAPEX）还要考虑后期工厂运行成本。芯片制造工厂属高耗能企业，供配电架构优化和ECO 的高效节能配电设备是提高总体拥有成本的关键。例如，20MVA 变压器 20 年后的损耗成本可能是变压器初期成本（CAPEX）的 3 倍。4 配电优化建议4.1 优化供配电架构降低总体拥有成本（TCO）IPC 柜12TPC 柜变压器额定容量和短路阻抗对下游中压开关柜的成本有重大影响，适当提高变压器的短路阻抗可以有效的限制短路电流，从而降低下游中压断路器和电缆的相关电流值。IEC 60076-5 根据变压器额定功率定义了变压器最小短路阻抗，阻抗最小值适当增加并将下游短路电流限制在 25 kA 以下，而不会18、显著影响变压器成本，同时中压断路器额定值限制在不超过 2500 A 时，这时的中压开关柜成本是最低的。选择变压器时除了采用高效节能变压器外还可以在配电架构上进行优化设计。变压器的负载率在 50%时效率是最高的，可能初期投资成本会提高，4.2 高压/中压变压器和中压开关柜优化1325%50%75%初期成本变压器损耗成本总成本额定容量(kVA)25 至 630631 至 63006301 至 25 00025 001 至 40 00040 001 至 63 00063 001 至 100 00100 000 以上478101112.512.5最小短路阻抗（%）但还是推荐采用 ECO 设计来降低运行19、时的损耗，根据改变变压器的容量和负荷分配达到最优运行方式，而终端配电采用集成配电柜。柴油发电机额定容量超过 2MVA 时，从占地面积和成本的角度出发，选择中压柴油发电机更为适合。但如果考虑到交货期、零部件可用性、维修技能要求等方面，低压发电机组往往作为首选。芯片制造工厂低压配电需根据具体场景设计，在可能的情况下将低压配电母线的额定电流限制在 4000 A 成本是最优的，但用电可用性又是客户最优先考虑的。配电系统优化需从多方考虑而确定最终方案。4.3 柴油发电机与低压配电结语通过对国外知名芯片企业配电架构的了解和分析并结合施耐德电气在电子行业配电架构方面的应用，供配电系统的可靠性（可用性+电能质20、量）应是最优考虑的，在保证供配电可靠性的前提下，通过优化配电架构及合理选择施耐德电气针对电子行业的配电设备和产品，可以满足客户的各种不同需求。14本手册采用生态纸印刷客户关爱中心热线：400 810 1315施耐德电气（中国）有限公司Schneider Electric(China)Co.,Ltd北京朝阳区望京东路6号施耐德电气大厦邮编：100102电话：(010)8434 6699传真：(010)8450 1130Schneider Electric Building,No.6,East Wangjing Rd.,Chaoyang DistrictBeijing 100102 P.R.C.Tel:(010)8434 6699Fax：(010)8450 1130www.schneider-由于标准和材料的变更，文中所属性和本资料中的图像只有经过我们的业务部门确认以后，才对我们有约束ECATA10682019 11