特稿 /洪財旺 洪國書 黃毓樺* 王柏欽 撰

冷凍空調＆熱交換\99.11\第99期 25

共冷媒冷卻式冰水機系統用 大馬力驅動器開發

摘 要

本文主要是針對大型冰水機系統來設計一個高效率以冷媒為媒介的壓縮機驅動器，

利用冰水機系統本身的冰水做為冷卻源，在驅動器內部完成電力元件散熱過程後再導回

冰水機系統內循環，期能以更小的體積及更高的冷卻效率取代現今強制風冷式散熱片，

使驅動器能達到體積小、重量輕及效率高的目的。

關鍵字：絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、電壓源變頻器(Voltage Source Inverter)、整流二極體(DIODE)

一、前言

在倡導綠色環保、節能減碳的今

天，節省不必要的能源損耗並有效節省

能源浪費成為現今經濟發展的必要條

件。目前主要的耗電來源，如大型空調

系統、泵浦、馬達這類設備等，如何以

較低的耗能來產生最大的效能輸出，以

降低營運成本、提升企業競爭力與永續發

展，是最大挑戰的課題。

然而市場上用於大坪數以及大型冷

凍冷藏庫等，幾乎普遍為較大馬力的交

流定頻壓縮機，面對一波接一波的能源

危機，節能要求亦越來越急迫。隨著國

內交流變頻驅動技術日趨穩健，在 400

馬力以下的變頻驅動器產品，已逐漸的

替代國外品牌，被應用在空調及泵浦等

大型耗電設備上。

目前許多空調的系統商，直接將現

有市售變頻器安置於空調系統上 ( 圖一)，進行降轉速操作，使壓縮機或泵浦有更廣範的運轉範圍，達到節能的效

果。但在冰水機系統中，如果能活用原

有冰水機內的『冷媒』或『冰水』 (圖二)[1]，來冷卻變頻器內的電力電子元件(IGBT & DIODE)，它不但可提高變頻器的效率，延長變頻器的使用年限，也能

降低變頻器的體積、重量與強化變頻器

的結構，使變頻器更容易安置於冰水機

系統。 *黃毓樺：漢鐘精機股份有限公司

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圖一、冰水機系統使用市售汎用變頻器架構圖

圖二、冰水機系統使用共冷媒冷卻式變頻器架

構圖

二、變頻器的散熱結構說明

一般市售泛用型變頻器(電壓源變頻器(VSI))、它的架構及功能如圖三：

1. 利用電力電子元件二極體 (DIODE)的特性，將外部的交流電源(單相或三相)整流成直流電壓。

2. 依規格及需求選用大容量的電力電容將前面的直流電壓儲存在電容組內。

3. 利用微處理器(MCU)及周邊電路，決定需要的頻率及電壓，控制電力電子

元件 IGBT 開關(Turn_off & Turn_on)的寬度，將電力電容內的直流電壓切

換成類似交流電源送出，提供馬達輸

出所需要的速度及能量。

圖三、電壓源變頻器控制架構

當 DIODE 允許外部電壓流入時，有電流通過，會產生導通損耗(conduction losses)；同理當 IGBT 快速開關時，也會產生切換損耗(switch losses)及導通損耗(conduction losses)；電力電容器組有電壓電流進出，也會有能量的損耗；這些

能量的損耗，最終變成熱能分佈在元件

周圍，這些熱若沒有適當途徑來散逸

時，元件的溫度便不斷上升，導致損

毀。由於使用電力半導體元件不同、控

制方式不同、不同品牌及不同規格的變

頻器，所產生的功率損耗也不盡相同。

一般來說，變頻器的功率損耗約佔其容

量的 4~6%(隨使用功率而定)。其中換流部分(DC to AC)約占 50%，整流(AC to DC)及直流回路約 40%，控制及保護電路為 5~15%。

Motor

AC Line

InverterRectifier

(Diodes) (DC Bus) (IGBT’s)

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圖四、IGBT 外殼溫度與工作電流

以 IGBT 為 例 ， 在 圖 四 是SEMIKRON 所生產 SKM600GA124D 規格書[2]內的外殼溫度(TC)與工作電流(IC)的關係圖在 Tj=150℃；圖中告訴我們，雖 Tj=150℃，但如果儘可能的降低外殼溫 度 (TC) ， 仍 可 使 它 的 電 流 提 供 在600A(90℃以內)，若 TC 的溫度超過 90℃，IGBT 的工作電流將逐步減少，外殼溫度(TC)為 120℃時，僅能允許 400A 的電流流過；在圖五的(a)與(b)則說明隨著Tj 溫度的增加，導致 VCE 也加大，雖流過一樣的工作電流，導致它的熱損也加

大。另外在規格書內亦告訴使用者，當

IGBT 的工作溫度升高時，它的內電阻亦提高 rCE(Tj) = 0.0023 + 0.000007 (Tj –25) [Ω]，也就是，當 IGBT 雖流過一定電 流 ， 周 遭 溫 度 越 高 ， 它 的 導 通 損

(Conduction Losses) 及 切 換 損 (Switch loses)也越多。可見如果能處理好變頻器內電力元件所產生的熱，它所處的環境

溫度降低，不但可提高變頻器的效率、

增強元件的可靠性，並能延長設備的使

用壽命。所以本文的目地就是如何改善

IGBT 及 DIODE 等元件的環境溫度，提高冰水機系統變頻化後的效能。

圖五、(a)tP=80uS,Tj=25℃輸出特性圖, (b)tP=80uS,Tj=125℃輸出特性圖

現有市售變頻器中，一般超過 5HP就必需外掛風扇來協助散熱，圖六為一

部 200Hp 的強制風冷式變頻器，為了提高散熱能力，以降低內部的環境溫度，

在變頻器的前後放置了許多交流風扇，

來增加散熱效果；雖將變頻器內的熱帶

出，但也造成變頻器操作環境溫度的升

高及增加變頻器的耗能。圖七則顯示變

頻器內固定 IGBT 及 DIODE 等電力元件的散熱片的架構，為了提高散熱能力，

它會隨電力元件種類及數量的不同、變

頻器馬力數增加，散熱片的基厚要增

加，同時散熱片下面的鰭片也要變長，

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以增加與空氣的接觸面積，提高散熱能

力，所以變頻器的馬力數越高，它的體

積及重量將越來越巨大而笨重。此外，

強制風冷式變頻器存在著無法避免的嚴

重缺點—系統達熱平衡時，各元件的最

高溫必受當時環境溫度影響。

若將冰水機中的冷媒或冰水將它引

進固定 IGBT 及 DIODE 的散熱片內，此時 IGBT 及 DIODE 的熱量是由液態冷卻液 (冷媒或冰水 )帶走，它與進入的冷卻液的流速及孔徑有關，所以散熱結構的

體積大小與液體的直徑有關，圖八為液

態冷卻式散熱架構示意圖。

圖九、液態冷卻板電力元件佈置圖

圖六、強制風冷式變頻器 三、液態冷卻板散熱能力規劃、模

擬與分析

使用過功率元件都知道，因 IGBT的操作環境不同，所以規格書中無法明

確的說明它的發熱量大小；未來冷卻板

的表面溫度希望控制在 60 ℃以下，規劃液 態 冷 卻 式 的 變 頻 器 輸 出 能 力 為

150HP，以圖八的架構規劃分別編號如圖九，變頻器的功率模組 (IGBT)共有 6顆，每顆發熱量估算為 200W，加上 3顆發熱量為 50W 的 DIODE，總熱量為1350W，佔變頻器整體損耗的 80%，所以變頻器總損耗為 1688W，未來液態冷卻式變頻的效率至少為 98%。另外本文的目的在針對大型冰水機之變頻器設計

一個高效率的液態冷卻式冷板 --利用系統本身產出的冰水或冷媒做為冷卻源，

在完成熱交換後再導回系統與大量冰水

或冷媒充分混合，以及在不影響冰水機

圖七、IGBT 及 DIODE固定於散熱片圖

圖八、液態冷卻式散熱架構圖

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效能前提下(本文所設計熱交換器冰水流量僅約冰水機系統的 1/100)，期能以更小的體積及更高的冷卻效率取代現今強

制風冷式的散熱系統。

為與實驗值比較同時驗證數值模式

之合理性，本文採用 CFD 軟體模擬分析[3]，其中主要假設條件如下：

1. 液態冷卻板內流體為水，充滿整個流道，不考慮空氣佔據的空隙；

2. 流體性質之壓力、溫度、密度為均值性，電力電子元件與冷卻板間接觸熱

阻忽略；

3. IGBT (Insulated gate bipolar transistor)及整流器為等向均質材料且發熱量固

定。

4. 流動採穩態不可壓縮之三維紊流流場

5. 流體在實驗工作環境為常壓 1atm

6. 操作環境溫度 25℃

若干微小尺寸對冷卻板系統影響不

大，因此被簡化或忽略。例如，螺絲、

或變頻器外觀尖點和導角，因易造成網

格建構之記憶體過大而被忽略。本模擬

系統取其發熱量上限，並假設變頻器發

熱元件的熱傳導能力相當於不鏽鋼，為

等向、均質材料。

如上所述，文中的冷卻板內的流體

引自冰水機系統本身的水，引用進出冰

水機蒸發器水的條件，一般而言冰水機

蒸發器出口的水溫較低(約 7℃)，但較接近常壓 ;反之，冰水機蒸發器入口溫度雖高出 5℃ (約 12℃)，但其壓力卻高出 0.5 ks/cm2 以上。為克服流動損失方便冷卻板熱交換的運作，並在不需增加幫浦的

的考量下，冷卻板的冷卻源將引用進入

冰水機蒸發器前的水(溫度 12℃)；另外為了模擬夏天冰水機系統剛開機時，冰

水機蒸發器前的水溫高達 30 ℃，以提高冷卻板冷卻散熱安全能力，其結果如下

所述：

圖十所示為液態冷卻板在流量 10 lpm (入水溫度 12℃)下，液態冷卻板表面溫度分佈圖。變頻器表面最高溫度出

現在遠離入口區的 IGBT(編號 3)，約30.3 ℃，其 IGBT 平均溫度最大差值約7 ℃(編號 3 與 4 平均溫差)，且進出口水溫差約 1.9 ℃，壓損更是低於 3 kPa (相當於 0.03kg/cm2，遠低於蒸發器進出口壓差)。

提高入口水溫測試 (30 ℃ )如前所述，為安全起見，增加測試高溫入水溫

度。在其他相同測試條件下，各區的溫

度分布如圖十一所示。出入口水溫差變

化不大(仍約 1.9 ℃)，液態冷卻板表面最高溫仍出現在同一發熱源，只有 44.8℃此高溫測試可確保在溫熱環境下，既使

當開機之初變頻器的最高溫仍在容許範

圍內。

圖十二顯示在更高質量流率 20 lpm下(入水溫度 12℃，環溫 25 ℃)，液態冷卻板表面溫度圖。液態冷卻板表面最高

溫接近當時的環境溫度 25 ℃，且多數表面溫度已遠低於環境溫度，可見冰水供

應已”過量”。儘管壓力降 11kPa(相當於0.11kg/cm2)仍在可接受範圍，但是過低的固體表面溫度恐怕會引起大量表面結露

問題，所以水的質量流率過高未必是好

事。

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圖十、流量為 10 lpm下液態冷卻板表面溫度分

佈圖

圖十一、液態冷卻板於高溫測試流量為 10 lpm下表面溫度分佈圖

圖十二、流量為 20 lpm下液態冷卻板表面溫度

分佈圖

四、液態冷卻板性能驗證及變頻器

實機測試

根據上述模擬結果，建構完成一套

液態冷卻板加熱驗證系統，如圖十三所

示。除了液態冷卻板本身外，加熱驗證

系統尚包括溫度量測系統(熱電偶和記錄器)、加熱系統(加熱棒、變壓器)、流量系統 ( 冰水供給系統、流量閥和流量計)。本液態冷卻板 (未含工作流體，水)

僅約 4.5 kg。配合 12℃冰水供給，完成以下實驗：

圖十三、液態冷卻板加熱驗證系統

實驗 1：環境溫度為 28℃，模擬六顆 IGBT 的總發熱量 1247W，三顆整流器的總發熱量 153W，冰水入水溫度約 12.5℃(12 加減 0.2℃的冰水，經管路傳輸至熱交換器入口已溫升至約 12.5 ℃)

測試條件：冰水流量約 10.5 lpm

測試結果：冰水出口溫差(平均值)2.1℃

以 TCpmQ 估算冰水熱傳量

誤差值：

%7.9%100 加熱棒功率

加熱棒功率冰水熱傳量

實驗 2：入水 29.7℃(總發熱量變為 1341W)

實驗時的環境溫度為 28℃，而入水溫為 29.7℃，對冷卻板而言無疑的亦是”熱源”。然而，此”熱源”與系統發熱量相較之下卻微不足道 (以 ，估算

低於 10W)。誤差可能因量測冰水出入口溫度差不夠精準 --出口溫度量測點可能接觸到管壁，且此管壁離出口已有一段

距離，因此所量得出口溫度可能稍高;或者水並未”充滿”整個管路，影響量測效果。與數值模擬結果相比如圖十四 --雖然實驗與模擬間操作條件不盡相同 (例如

ThAQ

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環溫、加熱棒形式、IGBT 與整流器與熱交換器間熱阻…等)或因誤差等因素，導致接近加熱器的某一平面之均溫 (縱軸 )並不一致。由實驗 1、2 曲線比較可看出入水溫溫差 17.2℃，兩曲線趨近平行，而實驗 2 最高溫則增加至 50.9℃ ;印證IGBT 各表面溫度變化隨冰水入口溫度呈近線性變化。再者，實驗與量測預估溫

度”趨勢”是相同的，爾後作進一步參數模擬分析，只要稍做修正就可得到與實

驗更加吻合的結果。

圖十五、200Hp液態冷卻式變頻器於冰水系統上實機測試

3. 冷確板的入口壓力，因考慮出口管路較長，可能造成回氣不易，故壓力設

定為 2.9~3.0 kg/cm2G。

依造上述整機系統測試驗證規劃來

驗證液態冷卻式變頻器是否符合 200Hp的規格，測試結果如下：

1. 滿載測試(測試環境溫度為 30℃，冰水入水溫度 4℃，冷卻水出水溫度

53℃)：變頻器的電流到達『290A ± 1%』時，連續運轉 30 分鐘後，在冷卻板表面溫度達穩定值時，冷卻板表

面最熱點的溫度僅有 44 ± 1 ℃，表示此冷卻條件能符合 200Hp 的需求。

圖十四、液態冷卻板上發熱元件平均溫度

為了驗證冷卻板的實際效能，以

600A 規格的 IGBT 來組裝完成一套 150Hp的液態冷卻式變頻器見圖十五，為搭現有

冰水機規格需求(200Hp)，冷卻源改為 5℃的液態冷媒，以提高冷卻板的散熱能

力，使變頻器的輸出功率提高，並依冰

水機測試規範進行性能驗證。

2. 過載測試(測試環境溫度為 30℃，冰水入水溫度 4℃，冷卻水出水溫度

55℃)：變頻器的電流到達『340 A± 2%』時，且冷卻條件不變的情況下，冷板最熱點會持續攀升至 85℃(溫度開關跳脫點)，包含冰水機工作環境的工況從 4/55 至 4/60 時間，由 33℃升至 85℃共費時約 55 分鐘，符合 30 分鐘變頻器不跳保護的需求。若冷板冷

的卻量增加，應仍可滿足功率模組及

整流器的散熱量，使溫度不會增加使

溫度開關跳脫。

整機系統測試驗證規劃：

1. 測試的冰水機工作環境依照變頻器滿載設計點：290A，也就是當變頻器運轉電流達 290A 的工作環境下，冰水機測試系統穩定後，才開始紀錄冷卻

板溫度，變頻器必須運轉 30min 以上，以確定冷卻板的散熱能力。

2. 在冷卻板的表面溫度穩定後，才紀錄性能數據。

表一為上述量測的資料，從滿載測

試中可知冰水機已快到 150 冷凍頓，此

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時變頻器的輸出為 165kW(220Hp)，變頻器的效率為 98.2%，符合當初的期望，且冷板表面最高溫度僅有 44 ± 1 ℃，是非常良好的操作環境。

五、結果與建議

經過前面的說明，並進行冷卻板單

體散熱能力分析驗證到實際組裝一套冷

媒冷卻變頻器進行冰水機實負載性能測

試，證明若能提供來源穩定的冷卻源，

它不僅能提供功率元件(IGBT & DIODE)好的操作環境，並因此使變頻器的輸出

容量提高，同時有具備以下優點：

1. 改善過去使用傳統鋁質散熱片，使變頻器的體積及重量大幅度下降，國內

某 業 者 150kW(200Hp) 體 積 為900mm*580mm*340mm 重 量 為120kg，改用液態冷板後，體積變為

565mm*380mm*295mm 重 量 為42.54kg (見圖十六)。

圖十六、200Hp水冷式變頻器的體積及重量

表一、200Hp液態冷卻式變頻器於冰水系統上滿載及過載下測試表

冷媒冷卻變頻器測試

變頻器規格: 150kW 滿載電流(A):290

測試冷媒: R134a

測試一(滿載測試) 測試二(過載測試)

測試工況 4/53 4/55

SST(蒸發溫度℃) 4.24 4.14

冷板入口壓力(kg/cm²G) 2.9 3

冷凍頓(USRT) 147.24 136.87

變頻器輸入(kW) 167.9 174.5

變頻器力輸出(kW) 165 172.4

變頻器損毀(kW) 2.90 2.10

變頻器損毀(%) 1.8% 1.2%

輸入/輸出電壓(V) 399.5/363.3 398.7/360.9

輸入/輸出電流(A) 255/291 266.9/300

輸入/輸出功因 95.3/91.3 95.2/89.6

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2. 可省去冷卻鋁質散熱片用的風扇，使變頻器結構更穩健，且降低噪音並改

善變頻器周圍溫度。

當然上述的驗證及測試都僅在『冷

媒或冰水』等純度高的流體，冷卻板的

內部流道長時間運轉下，不會因雜質造

成阻塞；未來將繼續討論並改善流道架

構，使它能適用於一般自來水來冷卻，

提高變頻器的使用環境及場合。

誌謝

本文承經濟部能源局計畫經費資

助，特此致謝。

參考文獻

[1] Kruusing, A.; Thelemann, T.; Thust, H.; Leppavuori, S.; Drue, K.-H, " Heat transfer enhancement at solid-liquid and solid-gas interfaces by near-surface coolant agitation," Volume 23, Issue 3, Sept. 2000. Page(s):548 - 554

[2] SEMICRON,”SKM600GA124D”,01-05-2002

[3] 洪國書、劉中哲、劉家宏，「變頻式冰水機變頻器水冷熱交換器」，第十四屆全國計算

流體力學學術研討會，August. 2007.

Abstract

In this paper mainly aims design a high efficiency compressor drive system for large-scale refrigeration system, delivers using system itself the Co-refrigeration cooling the heat sinks. Comparing with the driver of the heat sinks by forced air cooling, the driver of the heat sinks by Co-refrigeration cooling has the result the volume small, the weight is light and the efficiency high goal。

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