高壓電源助力光刻機節能改造

隨著半導體制造工藝節點不斷縮小，光刻機，特別是極紫外（EUV）光刻機，對電能的需求急劇上升，使其成為晶圓廠中的高能耗大戶。高壓電源系統作為能量轉換和傳輸的核心，其效率直接決定了光刻機的能耗水平。通過對高壓電源進行節能改造和創新設計，可以顯著降低光刻機的運行成本和環境影響，助力光刻產線實現“綠色制造”。
高壓電源助力光刻機節能改造的重點在于提高轉換效率、優化待機能耗和實現能量回收。
1. 提高轉換效率：高頻化與寬禁帶器件應用
高壓電源轉換效率的提升是節能改造最直接的途徑：
寬禁帶（WBG）半導體器件的普及： 采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）功率器件替代傳統的硅（Si）基IGBT或MOSFET。由于SiC/GaN器件具有更低的導通電阻和開關損耗，允許電源工作在更高的開關頻率。高頻化設計可以顯著減小變壓器、電感和電容等儲能元件的體積和重量，同時將轉換效率提高數個百分點，例如從90%提升至95%或更高。在光刻機數萬瓦甚至數十萬瓦的總功率需求下，這帶來的節能效果是巨大的。
優化諧振與軟開關拓撲： 采用如**LLC諧振變換器、移相全橋（PSFB）**等先進的軟開關拓撲。軟開關技術使得功率器件在開關過程中處于低電壓或零電流狀態，大幅減少了開關損耗，特別是在高壓、高頻工作條件下，對效率的提升效果顯著。
2. 待機能耗優化：模塊化與智能深度睡眠模式
光刻機并非持續處于曝光狀態，其在待機、維護或工藝調整期間的能耗同樣可觀。高壓電源的節能改造需關注非工作狀態下的能耗：
模塊化的精準供電與關斷： 利用電源的模塊化設計，實現對非工作模塊的精準供電管理。在待機狀態下，可以關閉光源激勵的高功率主電源模塊，僅維持控制系統和必要的環境監測模塊運行。這避免了整個電源系統長時間處于低效的輕載運行狀態。
智能深度睡眠（Deep Sleep）模式： 開發智能控制算法，在高壓電源判斷系統將進入長時間待機狀態時，自主進入深度睡眠模式。在該模式下，所有非必要的高能耗組件被斷開，只留下極低功耗的喚醒和通信電路，將待機能耗降低到最低水平。喚醒過程應設計為快速啟動，以不影響后續的生產效率。
3. 能量回收：回饋電網與再生制動
在高壓供電系統中，尤其是為精密運動載臺和偏轉器提供服務的電源，存在大量的再生能量：
再生能量回饋（Regenerative Energy Feedback）： 晶圓載臺在高速運動后的快速制動過程中，其動能會通過驅動電機轉化為電能。傳統的電源系統通過電阻消耗這部分再生電能。創新的高壓電源應集成雙向功率流（Bi-directional Power Flow）能力，將這部分再生電能通過前級逆變電路清潔地回饋給電網或存儲在專用的儲能單元中供其他子系統使用，實現能源的循環利用。
儲能與緩沖： 在光源激勵的高壓脈沖電源中，每次放電后儲能電容都需要重新充電。通過優化快速充電電路和能量緩沖設計，可以最大限度地減少在充電過程中的能量損耗，并利用超級電容或電池作為短時緩沖，平滑電源對電網的沖擊，并間接提高整體能效。
通過實施這些高壓電源的節能改造方案，不僅可以直接降低光刻機的電力消耗，減少碳排放，還能通過降低運行溫度、減少熱損耗，間接提高電源系統的可靠性和壽命，為晶圓廠的可持續發展目標做出貢獻。