UPS保養新思維

前言

目前300mm廠區EATON 9395系列「不斷電電源系統」(Uninterruptible Power System, UPS)統計共使用2100台左右，主要在市電供應異常的狀況下，仍能維持重要生產機台的不間斷運作。事故造成供應主要與功率元件IGBT故障有關，由近期案例所收集的異常品進行故障模式分析，透過取樣廠區內不同運轉時數的UPS元件，將其量化為判斷標準，達到預知保養，能有效的降低掌握設備損壞時間，避免過度維護所造成資源浪費跟不必要的停機。

文獻探討

絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)，是半導體電力電子元件的一種，主要用於變頻器，UPS及馬達類等交流電電動機的輸出控制 。 在講求高效率及節省能源的高科技半導體廠房，如何有效的運用不可或缺的電，並有效率的將之轉換為我們所需要的輸出形式，實有賴於功率電子元件的技術。

絕緣柵雙極電晶體是電力系統終端供應的主角，因此故障通常直接造成開關模組損壞，更甚者造成電源供應異常，若是負載為廠務供應之大型設備，必定會帶來不可估量的經濟損失。IGBT元件的妥善率與先進的高效率廠房電力系統供應的穩定度密不可分。通常IGBT故障伴隨著短路電流衝擊、湧浪電流衝擊及漏電流導致熱失效現象，各種原因造成熱失效的機制並不相同^[1]。短路電流衝擊與湧浪電流衝擊士由於電流衝擊產生的熱量使IGBT瞬間熱過載，局部溫度快速上升造成熱失效。而漏電流隨著時間存在介電層有持續擊穿的現象同時也會積熱最終導致熱崩潰^[2][3]，這些指標通常以相對應的物理參數來對應，IGBT失效有三個前期指標 : 臨界電壓(threshold voltage)、轉導(transconductance)與集極-射極導通電壓(collector-emitter(ON) voltage)，實際上應用難以量測，因此藉由取樣實驗來比較差異，找出實務上可量測的關鍵性指標，達到有效率的預防與預知保養^[4]。

研究方法

近五年來，台積內部統計伊頓9395 UPS統計共有155筆異常件數(如 表1)，其中Leg module異常共42筆，造成供應中斷或火警更有5筆，近年來LEG異常事件明顯上升2020(9件)，威脅供電穩定，需要有效的對策來防堵此類異常事件的上升。

由UPS UPM系統設計方塊圖(圖1)，關鍵零組件主要功能，與彼此訊號連接關係，所有Leg module的控制訊號經控制板分接出去到LEG module上，再經板上的隔離電源與光耦隔離器轉為隔離的驅動訊號推動IGBT，在未釐清真因前，不能排除各項關鍵零組件異常損壞造成IGBT燒毀，利用DFMEA手法，條列關鍵零組件損壞造成Leg module 異常的故障模式，針對運轉中不同年份的UPS與異常的UPS做取樣分析比對，快速發現新舊品差異，針對差異點進行深入研究，如 表2。

圖1、系統方塊圖

業界用於IGBT/MOSFET電力電子元件之標準量測方法-雙脈波測試(Double pulse test，如 圖2)，可測試反向恢復電流/開關損耗/peak voltage/開關速度等，主要測試說明如下 :

圖2、Double pulse測試

Step ① First pulse藉由電感去調整脈波寬度，建立測試電流

Step ② 調整off脈波寬度，使電流維持定值，流經diode

Step ③ Second pulse，針對IGBT在有載的情況下做快速切換

缺陷或功能異常的半導體元件通常會因為局部功率消耗的異常導致溫度升高，藉由InSb(锑化铟)材質的偵測器，偵測IC在通電狀態下，缺陷位置所產生出熱輻射分佈，快速定位故障點座標位置，再利用雙束型聚焦離子束(Dual-beam Focus Ion Beam)，在離子束切割時，使用電子束來觀察異常位置切面情況。

結果分析

本次專案利用先將整個Leg module做雙脈波測試，比對各元件功能是否正常，將IGBT元件解焊以測試單體漏電流，測試結果說明如 表3，主要發現IGBT模塊漏電流已超出原廠規範，依原廠SPEC 1200V下，IGBT漏電流需小於1mA，其餘元件測試皆符合設計規範。

測試發現IGBT漏電流有超規的現象，因此依廠內不同年份不同負載特性做取樣比對發現，運轉時間大於9年的IGBT普遍都有超規的現象，測試資料如 表4與 圖3。

表4、IGBT漏電流測試結果

圖3、漏電流與運轉時間分布圖

對於表現較差的UPS(P4F1T-UPS450-U4-431D)進行Thermal EMMI(Thermal Emission microscope)測試可明顯發現熱點，測試結果如 圖4~圖7，針對熱點發生位置進行切片解析，利用聚焦離子束顯微鏡檢視晶片結構，可發現IGBT Module結構出現異常，原本應該平整的結構長出如樹突枝枒形狀的物質，同時比對原廠英飛凌解析資料，在高壓邊緣端發現結構異常，原廠回覆IGBT在操作多年後，其內部結構與特性皆出現劣化，建議漏電流超規的IGBT Module不應繼續使用，避免元件非預期故障，而既有的年保養並無法檢測出漏電流增加的現象，現今保養的檢測方式需要有所改變。

圖4、IGBT HS熱點分布圖

圖5、IGBT HS熱點位置解剖圖

圖6、IGBT LS熱點分布圖

圖7、IGBT LS熱點位置解剖圖

原廠以高倍率顯微鏡觀察近Diode高壓側邊緣(圖8)，結構明顯出現異常，原本應該平整的結構長出如樹突枝枒形狀的物質。

圖8、英飛凌高倍率顯微鏡檢視圖

結論

F14P4近十年運轉經驗，Leg故障主要與運轉時間有關，透過故障與運轉時間分布圖，呈現浴缸曲線(圖9)

圖9、故障與運轉時間分布圖

現行保養手法並無法提前了解LEG module狀態，建議調整保養策略如 表5，主要加入深度檢測手法，運轉時間大於6年，須執行取樣檢測LEG Module的性能及IGBT漏電流，延長保養時程可使工程師操作減半降低工作量與人為風險，以一台450KVA UPS來看(如 表5)，F14A建議的保養方式，保養頻率改為兩年一次，再加上深度檢測手法降低動力元件風險，並將LEG module定為保養物料，10年更換一次，有效降低LEG module故障風險，與廠商建議方式相比，可節省3.5%費用且降低一半操作失誤風險。