摘要
本文提出為提升負載轉移可靠度，在不斷電系統中新增電源同步信號切換設計，配合維護旁路盤內引出備機電壓訊號，使不斷電系統中逆變器(Inverter)線上扛載時，能即時調整逆變器輸出相位並與備機電源實現並聯，成功進行負載轉移，使下游設備避開斷電風險。
High power quality and reliability play a vital role in In High-Tech Semiconductor Fab. UPS are widely implemented for better power supply. One phase has installed more than three hundred units nowadays. To provide a fully protected power supply, power source will transfer to auxiliary UPS during periodic maintenance. Hence, the importance of MBP modification is emphasized.
This study propose a method of power source synchronization to increase reliability as source transfer. The voltage signals of auxiliary unit from MBP are applied to interconnection. UPS΄ inverter output voltage phase perform a real time control to auxiliary unit. The power source can transfer successfully and prevent from risk of power loss.
前言
不斷電系統UPS主要功用是在台電電網異常時，持續提供後備穩定電力，維持設備正常運作，因此UPS主要功能有二：一是針對輸入與輸出電源進行濾波，剔除雜訊與諧波干擾，以維持完整正弦波[3][4]；二是電網異常時(電力壓升/壓降/中斷/頻率飄移/諧波干擾等)及時切換至備源供電，為設備爭取應變緩衝時間，防止數據丟失、通訊中斷或失去操作能力。
在最新五奈米製程中之設備儀器，為避免遭受電力壓降或電力供應中斷導致產線停止生產，目前已有80%以上的設備已由不斷電系統進行電力保護，其中Tool UPS、CCD UPS與FAC UPS單廠區總和已達320台。進入穩定運轉、持續生產階段時，維護保養與緊急搶修的需求更是接踵而來。台積電在UPS系統中，為了達到真正的「不斷電」，更進一步為UPS量身打造一套維護旁路盤，使該迴路UPS進行維護保養時，依然能將該負載切換至備援UPS進行電力供應保護，使電力供應風險降至最低。
為提升電源切換可靠度，本文提出在UPS內部新增設計，使UPS能在線上供應時，透過簡易的選擇旋鈕，將逆變器電壓相位參考源由UPS內旁路切換至由維護旁路盤所提供的備援UPS電壓相位，使主迴路UPS輸出電源與備援UPS電源達成同步進行並聯及電源轉換，使負載免於電力中斷風險。
文獻探討
2.1 不斷電系統
不斷電系統主要功能為當市電異常時，持續為下游設備提供穩定電力，避免設備因異常斷電導致數據遺失，而在市面上，常見的UPS運作原理又分為三種，離線式(Off-line)、在線互動式(Line-Interactive)[5]以及在線式(On-line)[6]。
離線式UPS架構如 圖1，平常由市電直接供應給用電設備，並透過充電機(charger)為電池充電，同時監看市電狀況，當市電發生異常時，切換開關則會動作，由市電側切換至逆變器供應。由此可知，離線式UPS擁有兩組電力交互供應，但兩組電力在切換時有轉換時間存在，若轉換時間過長，可能導致下游設備斷電當機。
圖1、離線式UPS運作原理[1]
在線互動式UPS架構如 圖2，其運作原理與離線式相同，但在市電旁路側多設計一個升/降壓補償電路，當市電供應發生長時間小幅壓升或壓降時能夠即時進行補償。
圖2、在線互動式UPS運作原理[1]
在線式UPS架構如 圖3，當在線上模式供應時，市電與用電設備隔離開，不會直接供應給下游設備使用，當市電進入在線式UPS時，會先由整流器(Rectifier)將交流電轉換為直流電[7]，此時直流電一邊流向逆變器(Inverter)轉換成交流電供應給負載使用，另一邊流向充電機對電池充電。此架構的優點是輸出電壓波型是完美的正弦波，達到最好的電力品質，但轉換效率較低[2]。
圖3、在線式UPS運作原理
2.2 維護旁路盤
目前廠區使用的維護旁路盤大致上分為兩種，較早期是採用７個斷路器(Circuit breaker, CB)的版本，架構如 圖4，這種架構運用於台積電十二廠第一、二期，台積電十四廠；後期則發展出5個斷路器版本，架構如 圖5，此種則運用於台積電十二廠第三到七期、十五廠、十八廠。
圖4、UPS維護旁路盤架構(7CB版本)
圖5、UPS維護旁路盤架構(5CB版本)
7CB版本維護旁路盤架構較複雜，供電切換自由度較高，7CB維護旁路盤切換時由Q5N與Q3BP進行不斷電系統與外旁路的供電方向選擇，備源迴路則透過操作MTS-U與MTS-T進行備源供電切換，其中操作時不限制操作順序，可以選擇先切換至Q3BP，再進行MTS備源切換；也可以先進行MTS備源切換，交由不斷電系統的靜態開關進行負載轉移，再切換至Q3BP供電，前者操作較直接，失誤機率較低，後者切換時主備機並聯時間短，系統風險較低，但操作較複雜，人為風險較高。
5CB版本維護旁路盤架構較單純，操作較為直覺，電源與斷路器一對一，MIS為UPS輸出、MBP為維護外旁路、LTS為備機UPS輸出，切換時先切換至MBP，再切換至LTS供電，其中維護外旁路、UPS內旁路與備機迴路無法互相供應，與7CB旁路盤相比，5CB旁路盤價格較低，操作直覺，人為風險較低，但切換時間較久，導致下游設備暴露於未保護環境時間較長。
本文所提出外旁路電源同步切換功能即是為了解5CB旁路盤的致命缺點，若內旁路側斷路器開關失效，不斷電系統線上模式時電壓相位與市電不同步，在此狀況下，將導致無法進行負載轉移，致使電池耗盡導致下游斷電。上述狀況在7CB旁路盤中，只有當Q4S開關失效或內旁路異常時會發生，但在5CB旁路盤中，無論是UIP開關失效、內旁路異常或電源端空氣斷路器(Air Circuit breaker, ACB)失效都有可能發生，雖成本降低，操作較簡單，但元件異常之風險性卻提高了33%，因此，外旁路電源同步切換功能的實現勢在必行。
計畫/研究方法
3.1 研究環境
UPS外旁路電源同步切換功能的使用時機，在於逆變器鎖相電壓參考源消失時，逆變器輸出電壓相位角無法與市電同步，無法進行電源轉換。
UPS逆變器電壓相位參考源位於內部旁路之靜態開關一次側位置(如 圖6)，為使UPS失去相位角參考源，本文將啟斷上游電力開關使得相位角參考源回歸零電位(如 圖7)。
圖6、逆變器電壓相位參考源
圖7、模擬逆變器無電壓相位參考源
3.2 研究方法
為使UPS具備電壓相位角參考源切換之功能，須另設計一維護旁路鎖相單元電路板安裝於UPS內部，並具備發送參考電壓源切換訊號與參考源相位之功能，如 圖8所示。使逆變器輸出得與備用UPS同步進行電源轉移。
圖8、外部維護旁路鎖相單元設計
3.2.1 Delta DPM實現方式
主機櫃上方蓋板新增一維護旁路鎖相板(DPM-SYS-Z)，此板提供3項主要功能：①引入來自LTS端三相電壓相位角，提供UPS作為備用同步參考源 ②以一綠色按壓式按鈕作為切換參考源之指令操作，如 圖9所示 ③提供LED燈號顯示是否完成同步，如 圖10所示；其中訊號輸出至主機，具備顯示「開始進行同步訊號切換」與「同步訊號切換完成」之功能。
圖9、備用參考源輸入&切換操作按鈕(左)
圖10、LED狀態燈(LED1為準備好同步；LED2為完成同步)(左)
3.2.2 Eaton 9395實現方式
主機櫃中間新增一旋鈕，如 圖11，並以內部既有端子台進行連接，主要新增兩功能：①引入LTS端S相電壓相位角，提供UPS作為備用同步參考源 ②以內蓋旋鈕進行操作，旋鈕具備切換參考源與送出進行切換訊號之功能，並顯示於操作面板上。
圖11、Eaton 9395同步切換旋鈕
結果與分析
4.1 外部電源同步參考源切換試驗
將維護旁路鎖相板安裝後，本文實際將UPS輸入電源啟斷，此時觀察出主機失去電壓相位角參考源後，UPS主機逆變器輸出電壓與UPS備機輸出電壓開始產生電壓差[8]，且此電壓差於0V~554V不斷跳動，此狀況下遠大於並聯標準24V (5%，以480V/277V為標準)，如 圖12所示，CH1(土黃色)：UPS主機輸出R相電流、CH2(紅色)：UPS備機輸出R相電流、CH3(綠色)：UPS主機輸出RS線電壓、CH4(藍色)：UPS備機輸出RS線電壓、CH5(酒紅色)：UPS主機與備機RS相電壓差。
圖12、無電壓參考源電壓差量測波型圖
啟用同步功能後，維護旁路鎖相板送出訊號使UPS將備機輸出電壓作為電壓相位同步參考源，此時可觀察到CH5主機與備機電壓差逐漸降低至24V內且不再跳動，如 圖13所示。
圖13、電壓同步參考源切換後電壓差量測波型圖
完成同步後，將電壓波型放大檢視，可觀察出CH3(綠色)與CH4(藍色)電壓相位幾近一至，計算其電壓差RMS值約為10V~15V，如 圖14所示。
圖14、UPS主/備機同步後波型圖
經由以上實驗驗證，當UPS使用時若發生UIP開關失效、內旁路異常或電源側空氣斷路器(Air Circuit breaker, ACB)失效等狀況時，透過外旁路電源同步切換功能皆可在失去原本電壓相位參考源下，切換至備用電壓參考源，並且成功同步至電壓差10~15V，進而達到電壓源並聯標準。藉由此設計，既可有效降低維護旁路盤採購成本，並同時避免伴隨而來的故障負載切換風險，以達到廠務穩定運轉、永續發展目標。
未來展望與結論
5.1 結論
本文提出UPS外旁路電源同步切換功能的設計，能成功在輸入電源側遭遇異常時，仍可提供一備用電壓參考源給予UPS進行電壓同步，降低負載轉移時需承擔之風險，進而達到廠務穩定運轉之目的；另一方面，也期望此項設計能逐步運用於運轉廠中，降低維護旁路盤採購成本同時避免緊急應變負載轉移之風險，呼應永續發展之目標，達成雙贏局面。
5.2 未來展望
當UPS外旁路電源同步切換功能啟用時，當下狀況應是其輸入電源已發生故障，因此，UPS外旁路電源同步切換功能的下一階段，則是當啟用此功能時，能同時發送訊號至維護旁路盤PLC，以PLC程式自動進行MIS自動直接切換至LTS的負載轉移操作，降低人為操作風險，邁向永續發展之目標。
參考文獻
- DMahalko, Dale Mahalko, Gilman, WI, USA, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3899403
- 廖仁詮、郭朝龍、台達電子工業股份有限公司，「三相UPS電路架構及效率提升」。
- A. Domijan, G. T. Heydt, A. P. S. Meliopoulous, S. S. Venkata, and S. West,"Directions of research on electric power quality," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 18, No.1, January 1993, pp. 429-436.
- R. D. Henderson and P. J. Rose,"Harmonics: The effects on power quality and transformers,"IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 30, No. 3, May-June 1994, pp. 528-532
- Wen-Jung Ho, Jan-Bin Lio, and Wu-shiung Feng,"A line-interactive UPS structure with built-in vector-controlled charger and PFC,"Proceeding, PEDS’97, vol. 1, pp. 127-132, May, 1997.
- R. Krishman,"Design and development of high frequency on-line uninterruptible power supply,"IEEE IECON Conf. Rec., pp. 578-583, 1995.
- N. Matsui and H. Ohashi,"DSP-based adative control of a brushless motor,"IEEE Industry Application Society Annual Meeting, pp. 375-380, 1988.
- V.F. Pires and J.F. ASilva,"Teaching Nonlinear Modeling, Simulation, and Control of Electronic Power Converters Using Matlab/Simulink,"IEEE Tran. Edu., vol. 45, no. 3, 2002.
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