不斷電系統新版韌體節能模式驗證手法分享

前言

台南廠區的不斷電設備(Uninterruptible Power System，UPS)有4種廠牌共有821台，其中Eaton 9395型式的不斷電設備共有462台，佔台南廠區約60%的比例，是最大宗的族群，因此我們將聚焦在Eaton廠牌。UPS廠家節能模式（Energy Saver System，ESS）歷經九年韌體升級演化，但屢受台電壓降考驗影響及歷年lesson learnt，檢討不斷電系統轉態邏輯及條件，提升生產機台供電可靠度及運轉品質，確保下游生產機台穩定運轉不受壓降或停電影響。因此新版韌體針對9395 UPS節能模式之設計變更，須採用更完整且有效的手法進行驗證。

文獻回顧

隨著半導體製程快速成長，半導體設備對於供電品質的要求益發嚴峻，UPS在廠務供電中的重要性與日俱增。然而，UPS為了維持不間斷的穩定電源供應，部分的能量在UPS內部轉換過程中損失，造成額外的能源浪費。在不影響UPS供電可靠度與安全性的前提下，若將現有UPS運轉於節能模式，可將UPS轉換效率由原本約90%提升至99% 圖1，換算起來每台825kVA UPS可節省15kW的功率損耗，每台450kVA UPS可節省10kW的功率損耗。以本公司南科廠區為例，啟用Eaton 9395 UPS節能模式後，每年約可節省19百萬度電並減少12,536公噸排碳量，約占廠務4.6%之節能比例，對於整體節能減碳計畫之貢獻不容小覷。因此，UPS可靠運行於節能模式是節能計畫中相當重要的一環。

然而，本公司既有之9395 UPS從2009年以來歷經多次壓降，屢屢受到UPS轉態行為異常導致影響下游負載，其根本原因為UPS對於壓降判斷邏輯的缺陷，導致UPS偵測電壓異常後無法正確判斷電力壓降或者UPS內部故障造成的電壓異常，造成UPS非預期之行為。正常情況下，UPS對於壓降造成的電壓異常，必須從節能模式切換至不斷電模式(On-Line Mode，另一說法為Inverter Mode)並維持在不斷電模式以保護下游負載不受壓降影響；而對於UPS內部故障造成的電壓異常，UPS應該從節能模式轉跳至旁路模式(Bypass Mode)，隔離UPS內部故障點並維持輸出供電。歷年失效案例顯示：9395 UPS對於壓降，特別是較輕幅度的壓降，容易發生電壓異常判斷邏輯競逐現象，使得UPS偵測壓降造成的電壓異常時，誤判為UPS內部故障並切換至旁路模式（當壓降造成旁路電壓已經異常，若UPS還切換至旁路模式將失去保護下游負載能力），此種非預期行為造成廠務供電風險。

歷年壓降造成轉態失敗案例中，皆由廠商進行失效分析並根據每次的分析結果進行韌體升級或參數調整，然而每次的韌體升級或參數調整皆是浩大工程。此外，以往驗證模式皆由UPS廠商進行失效分析、擬定測試計畫並執行測試，如此一來，很容易因設計實驗者與執行測試者為同一單位而陷入理所當然的思維，造成故障分析不客觀之測試。因此，本次新版韌體之驗證計畫重新審視測試計畫，同步參考國際半導體業界標準與歷年運轉經驗，更邀請國際公認第三方測試權威UL參與驗證，從測試設備、方法、過程及結果皆詳細檢視是否符合規範之要求，避免以往廠商球員兼裁判的狀況發生，更可提高我們對於測試結果之信心。

計畫方法

針對9395 UPS新版韌體節能模式壓降驗證，擬定三大方向：半導體業界測試標準、非線性(Non-Linear)負載及公司歷年(2009~ 2016)轉態失效案例，將市電供電異常（如壓降或停電）、負載特性（線性及非線性負載）及實際運轉經驗整合成全面的驗證計畫，分為Group A~F，共計116項。壓降測試時同時監測UPS輸入及輸出之電壓與電流，如 圖2所示，除了以UPS是否正確轉態作為判斷依據外，更以實際量測之電性波形佐證UPS遭遇壓降之行為是否符合預期。

測試計畫第一部分（總計18項）為Group A的SEMI F47 Test（共16項）以及Group B的IEC 62040-3 Test（共2項）。Group A中的SEMI F47為國際半導體設備依循的壓降耐受標準，其規定半導體設備必須能夠容忍如 圖3所示藍色曲線上方之壓降條件而不受其影響，藍色曲線上方區塊以0.05秒為界，左邊區域壓降條件歸類為A類（壓降程度最輕微），右邊區域壓降條件歸類為B類，意即半導體設備必須能夠容忍A類及B類壓降而不受影響。

圖3藍色曲線下方區塊以1秒為界，左邊區域壓降條件歸類為C類，右邊區域壓降條件歸類為D類（壓降程度最嚴重），根據規範，半導體設備遭遇C類或D類壓降可能會受影響。以UPS的角度來看，輸出電壓必須維持在SEMI F47曲線上方，因此9395 UPS遇壓降從節能模式切換至不斷電模式時，輸出電壓的擾動程度必須要能符合A類或B類的規範。提到SEMI F47時，經常會與IEC 61000-4-34（EMC規範中對於壓降的耐受度）相提並論，此兩項標準有著相當程度的雷同，其中針對壓降測試點的定義有個較明顯的差異在於0.2秒的壓降持續時間所對應到的降幅不同，如 表1所示， SEMI F47定義電壓降至50%（降幅50%）而IEC 61000-4-34定義電壓降至40%（降幅60%）。

因此，在設計UPS壓降驗證的條件時，我們便以降幅較大的IEC 61000-4-34作為測試點，Group A的測試條件如 圖4以綠色圓點表示。

Group B為測試當UPS輸入電源發生開路及短路故障時的輸出電壓是否滿足IEC 62040-3標準中的Dynamic Output Performance Classification 3暫態輸出規範，如 圖5所示。

測試計畫第一部分是參考國際標準擬定各種壓降條件以及輸入電源開路、短路故障來驗證9395 UPS在這些情況下能否由節能模式正確切換至不斷電模式。由於第一部分是參考國際標準，因此便邀請第三方實驗室UL參與此部分之驗證以增加我們對於測試的信心。藉由UL第三方驗證的專業，可協助我們進行更客觀的驗證。其UL標章常見於各類產品 圖6。

測試計畫第二部分（總計14項）為Group C，主要驗證UPS負載若為非線性負載時，對於壓降由節能模式切換至不斷電模式之行為是否仍符合預期。由於UPS部分下游機台之非線性特性會產生諧波 圖7，導致UPS輸出電壓及電流波形失真，第二部分之測試目的便是驗證失真波形對於UPS壓降轉態之影響。

測試計畫第三部分（總計84項）為Group D~F，是依據過往案例針對輕微壓降進行驗證。據經驗，壓降程度較輕易使UPS轉態失效，例如單相10%壓降，會使得不斷電模組(Uninterruptible Power Module, UPM)偵測到輸出單相電壓低電壓但控制板模組(Main Control Unit, MCU)偵測不到旁路三相合成電壓過低，此情況會使UPS判斷輸出異常但旁路正常，在舊版韌體中，UPS可能會視為內部故障而轉跳至旁路模式，因此，參考歷年壓降紀錄制定出壓降降幅5%~15%與壓降持續時間1週期~4週期（1週期=1/60秒=16.7毫秒）之輕微壓降條件，其中Group D、E、F分別對應到5%、10%、15%之降幅。 圖8顯示Group D~F之壓降測試條件，從圖中可看出測試點落於SEMI F47所規範之A類及B類區域中。

最終，我們擬定國際半導體標準的壓降測試項目（Group A/B，共18項）於Eaton美國RPO廠執行測試、非線性負載壓降測試項目（Group C，共14項）分別於Eaton美國RPO廠（8項）及亞太台北廠（6項）執行測試、tsmc歷年失效案例加嚴測試項目（Group D/E/F，共84項）分別於Eaton美國RPO廠（48項）及亞太台北廠（36項）執行測試，共計116項，如 表2所示。

結果與分析

新版韌體節能模式壓降驗證計畫共計116項於2016/10/21全數通過驗證，其中國際半導體壓降標準測試(Group A/B)更透過第三方測試實驗室UL的全程監督，公證本次之驗證過程。以下針對各個Group之測試結果進行說明。

Group A為SEMI F47的壓降測試項目，其中A1項目原本預定測試的壓降條件為電壓降至0%，持續時間1週期(16.7ms)，如 圖4中最左下角之綠點所示，但因模擬壓降之測試設備在如此短暫的時間內只能將電壓降至約15%，因此該測項之壓降條件便修正為電壓降至15%，持續時間1週期(16.7ms)，其測試波形如 圖9。 圖9上方波形為輸入三相電壓（上方振幅較大波形）、輸入三相電流（上方振幅較小波形）、輸出三相電壓（下方振幅較大波形）、輸出三相電流（下方振幅較小波形），最下方之文字敘述為UPS之事件紀錄。從事件紀錄可看出該壓降條件使UPS由節能模式成功切換至不斷電模式(Energy Saver System Off & UPS Normal)。由波形可看出UPS輸出電壓在一個週期內便回復穩定狀態，對照輸入電壓仍有波動之情形，顯示UPS遇壓降從節能模式切換至不斷電模式仍可降低壓降對於負載之衝擊。

圖10則為三相電壓降至80%，持續時間1秒之測試結果，該條件對應到SEMI F47之D類壓降邊界，可用來模擬UPS遭遇壓降程度較嚴重之情況。從事件紀錄可看出UPS成功由節能模式切換至不斷電模式；從波形可看出在持續1秒的壓降條件下，UPS仍在一個週期內便回復穩定狀態，證明即使UPS上游遭遇三相D類壓降，UPS可迅速轉態將壓降之影響減輕（UPS輸出電壓擾動程度極小，對應至SEMI F47壓降分類A類）。

圖11與 圖12分別為輸入開路及輸入短路之測試波形(Group B測試)，皆可看出UPS正確轉態並維持輸出供電。

圖13將Group A及Group B測試結果之輸出電壓繪於IEC 62040-3三種動態輸出暫態區段之對照圖，可看到在Group A及Group B之測試下，UPS之輸出電壓皆落於規格內，表示UPS在壓降或輸入異常條件下，仍可維持輸出之供電穩定。

Group C為非線性負載測試項目，測試當下游負載有諧波成分時，UPS遇壓降之輸出是否能維持供電品質。 圖14與 圖15分別為C相壓降至85%維持2週期之測試波形與Group C所有測試之輸出電壓繪於IEC 62040-3 Dynamic Output Class 3 transient limits之對照圖，結果顯示UPS之行為及輸出特性皆符合預期。

Group D (降幅5%）、Group E（降幅10%）及Group F（降幅15%）為根據tsmc歷來經驗所制定之加嚴測試項目，測試UPS遇輕微壓降（降幅5%~15%，持續1~4週期）之行為及輸出是否符合預期。 圖16為B相壓降至90%（降幅10%）維持1週期之測試波形， 圖17與 圖18分別Group E及Group F所有測試之輸出電壓繪於IEC 62040-3 Dynamic Output Class 3 transient limits之對照圖，結果顯示UPS之行為及輸出特性皆符合預期。Group D（降幅5%）之測項因沒有觸發UPS電壓異常之偵測門檻(+/-10%)，因此全數測項皆維持在節能模式，並無轉態行為發生。

圖15與 圖16分別Group E及Group F所有測試之輸出電壓繪於IEC 62040-3 Dynamic Output Class 3 transient limits之對照圖。

結論

Eaton 9395 UPS新版韌體驗證通過共計116項測試，包含SEMI F47半導體業界標準、非線性負載及本公司歷來失效經驗等，部分項目並於國際壓降標準驗證項目中首次引入第三方驗證權威UL實驗室參與驗證，提升對於9395 UPS驗證結果之信心，並依此結果全面啟用9395 UPS節能模式，響應本公司節能環保政策。

在全面導入節能模式後，可以預見的是負載側之諧波成分將透過旁路靜態開關(Static Transfer Switch, STS)回灌至UPS輸入側，影響整體供電品質。為此，下一階段之任務即是抑制或改善UPS節能模式下之諧波影響。為此已開始計畫導入9395 UPS諧波抑制系統(Harmonic Reduction System, HRS)解決方案，由節能模式下怠轉之逆變器輸出反相諧波，藉以抵銷由下游諧波的全新技術。此一解決方案將全面應用在9395 UPS節能模式，同時維持可靠的供電品質。