變頻器為商業(yè)和工業(yè)電機提供動力和控制，必須根據(jù)其設(shè)計和應(yīng)用環(huán)境進行熱保護。變頻器的主要優(yōu)點是靈活的控制、平穩(wěn)的啟動和停機性能，以及在可變負載下運行的離心風機和泵所帶來的顯著節(jié)能。

大多數(shù)大功率變頻器及其附屬電子配件都被集成到電子機箱中，如圖1所示。變頻器不但提高了系統(tǒng)效率，變頻器本身的效率也非常高，損失只有2%至4%。然而，由于大功率驅(qū)動器中電能轉(zhuǎn)換很大，即使效率損失較低，也會導(dǎo)致數(shù)千瓦到數(shù)十千瓦廢熱的產(chǎn)生，必須設(shè)法將這些熱量耗散掉。

圖 1: 圖中所示是一個中壓驅(qū)動柜。本文圖片來源：Advanced Cooling

在開放式風冷機柜中，要想排出這些熱量很簡單。然而，在惡劣環(huán)境中，無法使用預(yù)過濾風扇冷卻或通過直接的空氣流來冷卻，外殼的熱量管理就成為設(shè)計流程的重要組成部分。研究策略，對于在惡劣環(huán)境中高效、被動且經(jīng)濟地冷卻中、大功率密封外殼的變頻器至關(guān)重要。

流通或密封

開放式氣流柜可讓環(huán)境空氣流通機柜，直接有效地冷卻大功率模塊。這種高效的冷卻，可能會導(dǎo)致外部污染物進入外殼，通常使用風扇過濾系統(tǒng)，來過濾流入機柜的空氣，從而最大限度地減少這些污染物。過濾器有助于減少灰塵和碎片，但它們需要定期維護來清潔或更換過濾器。

密封外殼不允許外部空氣進入機柜，而是用機柜內(nèi)的空氣來冷卻電子產(chǎn)品，并通過熱交換器將熱量導(dǎo)出到環(huán)境空氣中。密封外殼可防止污垢、灰塵、濕度、鹽霧和其它空氣中的腐蝕性物質(zhì)進入機柜，并影響電子元件的使用壽命。

這兩種系統(tǒng)都適用于低功耗機柜。然而，對于許多大功率變頻器機柜來說，功耗水平高于空氣冷卻所能達到的水平。低功率部件一般直接通過氣流進行冷卻，而較高功率的部件則通過設(shè)施冷卻水、蒸汽壓縮系統(tǒng)或泵送液體系統(tǒng)直接或間接冷卻。

在這些系統(tǒng)中，大功率元件(絕緣柵極雙極晶體管、集成柵極換向晶閘管、硅控制整流器)，通常連接到流體冷卻冷板上。然后，流體使用蒸汽壓縮系統(tǒng)或通過液氣熱交換器，將熱量排放到環(huán)境空氣中。無論哪種情況，所需的環(huán)境空氣熱交換器都可以布置在設(shè)施內(nèi)外。這些系統(tǒng)的主要缺點是將流體引入機柜和冷卻液管線進出機柜所帶來的挑戰(zhàn)。

環(huán)路熱虹吸管

環(huán)路熱虹吸管(LTS)是重力驅(qū)動的兩相冷卻裝置。它們的工作方式與熱管相似，工作流體只要在一個封閉的循環(huán)中蒸發(fā)并冷凝，就可在給定的距離內(nèi)傳遞熱量。相對熱管，環(huán)路熱虹吸管的主要優(yōu)點是能夠使用導(dǎo)電工作液，高效、遠距離傳輸大功率。與主動式液體冷卻液、蒸汽壓縮或泵送兩相冷卻系統(tǒng)相比，環(huán)路熱虹吸管沒有運動部件，可靠性更高。環(huán)路熱虹吸管非常適合將大功率余熱從機柜中的電力電子設(shè)備傳輸?shù)綑C柜外部環(huán)境中。

在機柜層面，環(huán)路熱虹吸管冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢是顯著的。在工廠車間內(nèi)就可以將機柜、電子設(shè)備和冷卻系統(tǒng)安裝到密封、獨立的外殼中。每個機柜都是獨立的，可以獨立交付，在最終客戶那里也易于安裝。最簡單的實現(xiàn)形式就是位于機柜頂部的風冷環(huán)路熱虹吸管冷凝器。這樣，機柜保持獨立，在最終安裝時只需要電氣連接。

環(huán)路熱虹吸管冷凝器還可以連接到設(shè)施或冷卻水系統(tǒng)。可以將余熱從機柜和多個機柜中進一步消散，從而可以在同一個環(huán)路上工作。使用環(huán)路熱虹吸管和冷水冷凝器時，管道和水的連接都在機柜外部，這樣就可將冷卻液和電子設(shè)備分開。

密封外殼熱交換器

環(huán)路熱虹吸管是直接從高發(fā)熱部件中排除大熱量的絕佳方法。但二次部件的余熱負荷仍需冷卻。這些輔助組件，包括分散在機柜中的許多低功耗設(shè)備，這樣通過直接接觸來冷卻就難易實現(xiàn)。對這些低功耗、熱流較低的元件，直接空氣冷卻是最實用的方法。低功耗組件可以通過空氣-空氣熱交換器輕松冷卻，同時保持外殼密封的完整性。

在環(huán)路熱虹吸管和密封式換熱器組合中，高功率絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)或集成柵極換向晶閘管(IGCT)安裝在環(huán)路熱虹吸管冷板上，它的10千瓦負荷加上熱負荷，通過環(huán)路熱虹吸管耗散到外部機柜空氣中 (見圖 2)。所有的二次電子部件，都是通過密封的氣-氣熱交換器冷卻的，熱交換器可以導(dǎo)出1千瓦左右的廢熱。

圖 2: 配置了空氣-空氣熱交換器的環(huán)路熱虹吸管(LTS)。

環(huán)路熱虹吸管和密封的空氣-空氣熱交換器保持原來的NEMA機柜等級。二者的組合使大功率機柜能夠維持密封性能，不受外部氣流的影響，并且不會有冷卻液在機柜內(nèi)的流動。

環(huán)路熱虹吸管和密封外殼冷卻器，為電力電子冷卻應(yīng)用提供了諸多優(yōu)點。環(huán)路熱虹吸管利用非常適合中、高壓應(yīng)用的導(dǎo)電工作液，通過被動方式來冷卻高功率電子元件的大熱量。密封的外殼冷卻器，可以排出電力電子柜中的低功耗、分布式組件所產(chǎn)生的熱量，同時防止外部空氣中的污染物與這些組件相互作用。兩種冷卻解決方案的組合，可在惡劣工作環(huán)境所需的密封外殼中可靠地冷卻大功率電機控制器。