高壓電源多電平 NPC 架構(gòu)適配研究

高壓電源在電子束加工、等離子體應(yīng)用等場(chǎng)景中，需實(shí)現(xiàn) 10kV-50kV 高壓輸出，同時(shí)滿足低諧波、高可靠性需求。傳統(tǒng)兩電平架構(gòu)因開關(guān)器件耐壓限制，需采用多器件串聯(lián)，易出現(xiàn)均壓不均問題，且開關(guān)損耗大、輸出諧波畸變率（THD）高，而多電平 NPC（中點(diǎn)鉗位）架構(gòu)憑借多電平輸出特性，可有效解決上述痛點(diǎn)，但其適配高壓電源需突破電平數(shù)選型、中點(diǎn)電位平衡及負(fù)載適配三大關(guān)鍵技術(shù)。
首先，基于高壓電源功率等級(jí)確定 NPC 架構(gòu)電平數(shù)：對(duì)于 10kV-20kV/5kW 級(jí)電源，采用三電平 NPC 架構(gòu)，通過兩個(gè)鉗位二極管實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位鉗位，降低開關(guān)器件耐壓需求；對(duì)于 20kV-50kV/10kW 級(jí)電源，擴(kuò)展為五電平 NPC 架構(gòu)，引入輔助鉗位電路，進(jìn)一步減小輸出電壓臺(tái)階。其次，設(shè)計(jì)中點(diǎn)電位平衡控制策略，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)中點(diǎn)電壓偏差，動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)序，將中點(diǎn)電位波動(dòng)控制在 ±2% 以內(nèi)，避免因中點(diǎn)漂移導(dǎo)致的輸出諧波升高。
此外，針對(duì)不同高壓負(fù)載的阻抗特性，優(yōu)化 NPC 架構(gòu)的輸出濾波網(wǎng)絡(luò)：對(duì)容性負(fù)載（如電子槍），增加串聯(lián)電感抑制合閘涌流；對(duì)感性負(fù)載（如等離子體線圈），并聯(lián)吸收電容減小電壓尖峰。實(shí)驗(yàn)表明，適配三電平 NPC 架構(gòu)的 15kV/5kW 高壓電源，輸出 THD 從兩電平架構(gòu)的 12% 降至 3.5%，開關(guān)損耗降低 40%，且在負(fù)載短路故障時(shí)，鉗位二極管可快速泄放能量，提升電源可靠性。