半導體廠電力系統尖波分析與防治

前言

在目前廠區的電力系統進行線上電力品質的監測項目主要包含電壓、電流、功率因數(PF)、總諧波含量(THD)及與部分放電(PD)的特高頻(UHF)信號。但近年來電力系統所產生的故障、誤動作、控制失序等異常事故原因分析中，除了設備品質瑕疵外，某些異常事故的原因可能肇因於以往所不曾關注的特殊電力雜訊。例如高頻整流器元件切換突波對系統端的影響，系統功因超前時系統共振頻率的影響。這些偏向高頻暫態的現象目前是不包含在電力監測範圍，但是在不知不覺中這些高頻雜訊已開始對控制、絕緣、系統穩定度等面向產生負面效應。本文將介紹電力系統中常見的各類雜訊、成因、影響及量測預防方法，作為未來設計和運轉的參考。

半導體廠電力系統雜訊與突波說明

開關突波

突波的主要原因有兩種：一種是由打雷閃電所產生的雷擊突波，另一種是由電路啟斷所造成的開關突波。雷擊突波是自然界所產生的，如果設計的電路必須經過落雷地區時，加入適當的保護措施是絕對有其必要的；開關突波是電路啟斷的瞬間所產生的突波，當突波產生的時候，如果所設計的電路中並沒有所謂的 "突波保護"，那麼電路便容易因開關突波而產生誤動作，嚴重一點的狀況可能會導致電路過壓(載)損壞，或因長時間受突波的干擾而使電子零件的壽命減短。一般特高壓架空輸電系統均有足夠突波防護設計，在地下電纜系統的開關突波問題比較容易被誤解而忽略，主要是電纜對地充電電容很大，本質上就具備抑制突波電壓功能，但是盲點在於對低壓及弱電系統與設備造成的傷害，甚至可能使變電所主變壓器及氣體絕緣開關(GIS)內之低壓電路受損，其發生機制可用 圖一簡單電路說明， 圖一為假設開關是操作的情況，電纜用電容(C)代表，變電所接地電阻(Re)及用戶端電阻(Rg)代表，由於C值很大導致開關(S1)投入時對地突波充電電流很大，所以在變電站產生的接地突波電壓很大，容易使低壓或弱電設備受損。另外在開關(S2)已切離的情況下而開關(S1)尚未切離時，電容(C)維持在充電狀態，當開關(S1)切離的瞬間將在電感(L1)引起很大的突波電壓，此情況將對變壓器絕緣不利，因此當電容C值過大時不可忽視對接地系統或主變壓器的開關突波傷害，在設計上必須儘量避免突波的產生，如果不能避免，則必須加入吸收突波的機制。

電壓凹陷(Notch)

電力電子元件廣泛被使用，如家電設備、電子資訊設備、不斷電系統、變頻控制系統皆會使用到整流器，透過閘流體或二極體間的截止及導通，進行電力弦波切割與合成，產生負載所需的工作電壓。然而電力電子產品多屬於非線性負載，內部的閘流體快速切換使電流產生快速的變化，而衍生電力品質的問題。當整流設備容量較大或串聯阻抗較小時，閘流體或二極體間的換相切換，還可能造成明顯的電壓凹陷(Voltage notch)如 圖二所示，引起設備動作異常。主要是因電壓凹陷屬較大的電壓波形失真且存在較高的雜訊頻率，電壓波形嚴重失真時可能導致設備誤動作，而較高的雜訊頻率也可能產生電磁干擾問題。

IEEE Std.519中量化電壓凹陷的程度，是以電壓凹陷深度(kn%)及電壓凹陷面積(An)表示， 圖四及公式(1)、(2)為其定義：

..........(1)

..........(2)

其中d為凹陷幅度，而v則是從凹陷點至零電位幅度，t則是電壓凹陷時間。 表一為IEEE Std.519對電壓凹陷規範值。一般系統要求電壓凹陷深度需小於20%。

閘流體開關突波

在變頻器中，交流輸入電源經整流器的直流輸出接到電容器中，提供穩定的電壓直流給變頻器，變頻器使用脈衝寬度調變(PWM)的輸出電壓。PWM技術主要使用高解析度計數器調製方波的占空比，透過電力開關，例如可關斷晶閘管(GTO)、雙極性電晶體(BJT)、絕緣閘雙極電晶體(IGBT)等，調整馬達電壓及頻率的方式。

由於電力開關切換使得電壓產生有高頻的載波成份，變頻器輸出至馬達電力線需考慮傳輸線的效應，由於馬達阻抗(Zload)與線路阻抗(Z0)不相等，因此馬達側電壓經線路反射影響，造成的過電壓可能會達到額定電壓的2~3倍，影響時間雖短，但仍可能造成導線及馬達繞線的破壞絕緣。如 圖三為變頻器輸出馬達側波形，變頻器輸出暫態轉換波形，經由線路傳導，波形最大尖峰(Peak)達到標準值的167%。

電力諧波

電力諧波由電力系統非線性設備所引起。以 圖四一個例子來說明，一個正弦波電壓加到一個簡單的非線性負載時，其電壓與電流的變化如曲線所示。雖然所加入的電壓是一個完美的正弦波，但是產生的電流卻是失真的正弦波。這些失真的諧波電流經系統阻抗，導致負載端產生諧波電壓。將這些電力諧波進行傅立葉級數分析，可知諧波主要由各個奇數倍頻率組成，如 圖五所示。在半導體廠配電系統中，產生諧波之汙染源包括變頻馬達與非線性負載之整流器、不斷電系統、變頻器等，大量使用非線性負載產生大量諧波量，對供應的電力品質造成影響。

系統共振

電力系統共振是電力系統複雜且非線性的電力現象，當系統上的電容與電感互相匹配而產生的共振現象，會導致系統的過電壓和過電流而引發設備絕緣的破壞。

共振現象可由 圖六電路簡單說明，電路上存在電感（電磁設備）與電容（地下纜線），當系統發生共振時，即共振頻率下電感感抗與電容容抗大小相等相位相反互相抵消，此時電路中只剩純電阻阻抗，由歐姆定率電流等於電壓除以阻抗可知，線路阻抗較低會產生極大的線路電流。

現今電力系統日趨複雜，地下電纜的大量使用，鐵心材料及設計上之改進使得變壓器損失降低等因素，都使得共振發生於電力系統的機率大增，但是每個共振發生狀況都不盡相同，因此本文未提出量測與建議解決方式。

計畫方法

開關突波系統模型分析與量測實例

使用局部放電量測的耦合電容器取代應用之電容分壓器，進行開關突波量測，如 圖七為工廠(A/B)開關突波量測實際波形，開關操作過後會產生極大開關突波，分別產生300KV/us與120KV/us電壓突波，電力設備可能受開關突波傷害，因此在設計上必需儘量避免突波的產生。近年來使用氣體絕緣斷路器開關(GIS)，已經大幅減低開關突波現象，必要時仍可以在氣體絕緣斷路器輸入端加入避雷器或是感應電壓突波吸收器的方式，如 圖八所示。

電壓凹陷系統模型分析與量測實例

半導體廠大量使用不斷電系統和變頻器，若以6脈衝(6-Pulse)整流器而言，閘流體會輪流的進行導通及截止的動作，以達成整流的目的，稱為換相。 圖九中的閘流體S1正進行截止，而S2開始進行導通的動作，由於換相時間Δt甚為短暫，亦即電流I1需在短時間內降至零，同時I2需由零上昇至額定電流，此種電流的快速變動在線路電抗上造成較大的電壓擾動，使得整流器的輸入電源端出現換相電壓凹陷現象，如 圖十所示。有鑑於此系統應用上主要使用濾波器過濾電壓凹陷成分，避免這些切換頻率電壓凹陷成分回流至系統。

閘流體開關突波系統模型分析與量測實例

變頻器主要由電力開關所組成，定義電力開關切換速度為電壓10%上升到90%所需要時間為上升時間(Risetime)，而上升時間越快，代表很短時電壓變化就會很大，如 圖十一來說當閘流體上升時間100ns時，電纜長度若在30ft就會到達Vbus電壓兩倍，因此使用變頻器需負載距離與設備耐壓。若以 圖十二來說，量測變頻器和馬達端電壓波形，當閘流體選擇上升時間選擇100ns，電纜長度若在20ft，會發生160%突波過電壓(Vpeak/Vbus)，因此變頻器輸出均會安裝突波吸收器或是輸出電抗。

電力諧波系統模型分析與量測實例

半導體工廠裡，存在許多非線性負載，大致可分為以下兩大類，第一類為被動元件為鐵心激磁類如變壓器、馬達及加熱器等；第二類為電力電子元件類如不斷電系統(UPS)和變頻器(VFD)等開關元件組成負載。使用目的除了電能轉換外，也用於提高製程穩定。目前工廠實際應用上以使用電力濾波器為最經濟有效方式。

濾波器目前主要可以分為三種，被動、主動及混合式濾波器，其架構優缺點分析如 表二所示；被動式主要為電感和電容串併聯組成，主要使用6%電抗和電容組成功因補償器，作為虛功率補償；主動式主要利用電力電子電路偵測諧波大小，送出補償，降低系統諧波，實際使用經驗上曾因主動濾波器故障而造成影響。考量電力電子容量限制和可靠度問題，目前已經無使用。至於混合式濾波器為綜合被動和主動優點，目尚未使用，本文後續將會提出實例，提供讀者參考。

防治改善方法案例分享

電壓凹陷案例分享

電壓凹陷可以透過濾波器來濾除凹陷的頻帶，以下分享兩個案例。

案例一
低壓變電站電壓凹陷防治

某低壓變電站主匯流排總電壓失真率(VTHD)為8.2 %，總電流失真率(ITHD)為45.6%，導致發生以下兩個設備異常情形。第一是分路UPS運轉異常切換(UPS偵測輸入端與旁路端電壓差大於40V)；第二是下游機台電力異常警報，進行變電站主匯流排進行諧波改善，於分路增設4組被動式諧波濾波器(5次諧波濾波器256kVAR，7次諧波濾波器176kVAR)，系統架構如 圖十三所示，改善後異常現象消除，總電壓失真率降為3.5 %，總電流失真率減為26%，實際量測波形紀錄如 圖十四所示。

案件二
先進製程機台電壓凹陷防治

某先進製程機台在原來僅配置4個機台反應室。因製程需求必須增加了兩顆新製程機台反應室，架構說明如 圖十五所示。

原供電架構是由單一UPS電源整合供應，如 圖十六所示，雖然新增反應室前端有隔離變壓器改善電力品質，但是實際電壓諧波仍高達7.3%（不符IEEE 519規範<5%），影響控制器加熱控制的穩定性，改善方式是改由獨立電源供應，解決溫控不穩之情況產生。

閘流體開關突波

變頻器輸出突波預防，最常於變頻器輸出加入增加輸出電抗器(Re-actor)和突波吸收器(Terminator)，依原廠使用手冊建議，依馬達額定電壓、輸出容量與馬達電纜長度，選擇變頻器適用的突波吸收器、電抗器和阻尼電阻。實際應用上突波吸收器是濾波器的一種，由電抗器與電容組合而成電路，但電容器長期有衰減問題，目前較不常使用。

電力諧波

目前工廠常用的諧波濾波器為被動式濾波器，共有以下兩種方式

• 串聯高諧波阻抗以阻止諧波進入系統，此方法濾波器規格必須承受較大的負載電流，其費用與結構都比並聯式的要來的昂貴與複雜，目前主要使用在不斷電系統(UPS)和變頻器(VFD)輸入端。
• 並聯低諧波阻抗將諧波電流引入以避免諧波流入系統，此為常用的方法，目前使用在低壓變電站與機台端濾波器。

以下提供變頻器與不斷電系統諧波預防設計和二個實際機台諧波防治案例。

變頻器

輸入端主要串聯隔離電抗和濾波電容，形成低壓濾波器，將整流器輸入產生電壓凹陷濾除，如 圖十七為輸入隔離電抗前後量測電流波形，可以有效濾除電壓凹陷。

不斷電系統

6脈衝整流器設計是使用6個閘流體將交流整流成直流，構造便宜但會產生大量第5次和第7次諧波，後續新型設備使用12脈衝整流器電路，由2組移相的6脈衝整流器組成，雖構造較複雜，但有效降低電流諧波。近年推出由絕緣閘雙極電晶體(IGBT)組成高頻整流器，利用控制觸發角的方式，將6組IGBT搭配成為三相六開關昇壓轉換器，如 表三為整流器比較表。以公司近年使用大型集中型UPS，已經朝向高頻整流器架構使用，如 表四為目前常見公司機型比較，輸入功因(PF)已經可到達0.99，輸入諧波電流控制在小於3% (ITHD<3%)。

機台案件一：某廠區曾發生5台機台斷路器跳脫，電源來自相同低壓變壓器。安裝電力示波器確認電力品質，發現電力諧波異常情形，逐一檢查機台後發現某直流電源供應器異常，產生電力諧波汙染系統，導致其他機台因接地漏電斷路器作動跳脫，量測波形如 圖十八所示。由此事件看來，諧波監控與防治為目前半導體廠很大挑戰，即時發現汙染來源並迅速有效隔離，可以快速復原生產線。

機台案件二：進入先進製程後，發現電力雜訊會影響機台量測可靠度與準確度，在需特別進行雜訊隔離改善。依據經驗提出3種雜訊改善方案進行試驗。方案一為加裝隔離變壓器和使用一般電纜；方案二為加裝隔離變壓器和使用遮蔽電纜；方案三僅使用遮蔽電纜；其中隔離變壓器獨立接地，與電力系統獨立接地，其架構如 圖十九所示。我們總計測試3台機台，分別以三種方式進行驗機測試，得到結果如 表五所示，其中方式一機台全數通過，方案二部分機台通過，因此採用方式一架構，增加隔離變壓器提升量測可靠度。

結論

多年電力系統運轉經驗，對於傳統雷擊、斷路器開關操作的突波多可以有效防護。但是近幾年來電力電子元件逐漸普及，追求高效率、低損耗性能產品接踵推出，電力電子元件大量被使用；同時工廠內先進製程需要，使用各種高速加熱設備與射頻產生器(RF)等特殊負載應用；加上先進製程演進，機台要求高穩定與高精確度效能。在追求設備效能同時，又要維持電力系統穩定，成為供電系統穩定運轉的重要挑戰。近年來，電力課針對電力品質，持續累積各種雜訊防護經驗，推廣到各廠區。

近幾個月來，先進製程廠區模鑄式變壓器發生絕緣熱破壞情形，部分放電(PD)檢測無法提早有效預防偵測故障。在檢討變壓器製程時，同時應加強電力切換產生之高頻尖波(HI frequency surge)的防護，主要原因為低壓側的高頻電壓諧波會經由變壓器感應到高壓側，產生高壓高頻尖波，持續的高頻尖波有如滴水穿石一般，容易使得絕緣裂化發生，此為待研究課題，可做為未來事故預防的參考。