高压电源多电平 NPC 架构适配研究
高压电源在电子束加工、等离子体应用等场景中，需实现 10kV-50kV 高压输出，同时满足低谐波、高可靠性需求。传统两电平架构因开关器件耐压限制，需采用多器件串联，易出现均压不均问题，且开关损耗大、输出谐波畸变率（THD）高，而多电平 NPC（中点钳位）架构凭借多电平输出特性，可有效解决上述痛点，但其适配高压电源需突破电平数选型、中点电位平衡及负载适配三大关键技术。
首先，基于高压电源功率等级确定 NPC 架构电平数：对于 10kV-20kV/5kW 级电源，采用三电平 NPC 架构，通过两个钳位二极管实现中点电位钳位，降低开关器件耐压需求；对于 20kV-50kV/10kW 级电源，扩展为五电平 NPC 架构，引入辅助钳位电路，进一步减小输出电压台阶。其次，设计中点电位平衡控制策略，通过实时检测中点电压偏差，动态调整开关器件的导通时序，将中点电位波动控制在 ±2% 以内，避免因中点漂移导致的输出谐波升高。
此外，针对不同高压负载的阻抗特性，优化 NPC 架构的输出滤波网络：对容性负载（如电子枪），增加串联电感抑制合闸涌流；对感性负载（如等离子体线圈），并联吸收电容减小电压尖峰。实验表明，适配三电平 NPC 架构的 15kV/5kW 高压电源，输出 THD 从两电平架构的 12% 降至 3.5%，开关损耗降低 40%，且在负载短路故障时，钳位二极管可快速泄放能量，提升电源可靠性。
