高壓電源多電平 NPC 架構適配研究

高壓電源在電子束加工、等離子體應用等場景中，需實現 10kV-50kV 高壓輸出，同時滿足低諧波、高可靠性需求。傳統兩電平架構因開關器件耐壓限制，需采用多器件串聯，易出現均壓不均問題，且開關損耗大、輸出諧波畸變率（THD）高，而多電平 NPC（中點鉗位）架構憑借多電平輸出特性，可有效解決上述痛點，但其適配高壓電源需突破電平數選型、中點電位平衡及負載適配三大關鍵技術。
首先，基于高壓電源功率等級確定 NPC 架構電平數：對于 10kV-20kV/5kW 級電源，采用三電平 NPC 架構，通過兩個鉗位二極管實現中點電位鉗位，降低開關器件耐壓需求；對于 20kV-50kV/10kW 級電源，擴展為五電平 NPC 架構，引入輔助鉗位電路，進一步減小輸出電壓臺階。其次，設計中點電位平衡控制策略，通過實時檢測中點電壓偏差，動態調整開關器件的導通時序，將中點電位波動控制在 ±2% 以內，避免因中點漂移導致的輸出諧波升高。
此外，針對不同高壓負載的阻抗特性，優化 NPC 架構的輸出濾波網絡：對容性負載（如電子槍），增加串聯電感抑制合閘涌流；對感性負載（如等離子體線圈），并聯吸收電容減小電壓尖峰。實驗表明，適配三電平 NPC 架構的 15kV/5kW 高壓電源，輸出 THD 從兩電平架構的 12% 降至 3.5%，開關損耗降低 40%，且在負載短路故障時，鉗位二極管可快速泄放能量，提升電源可靠性。