近年来多电平功率变换器在中高压大功率领域广泛应用,其中无工频级联式多电平变换器由于其具有体积小、谐波污染小,以及可提供高效且稳定的电能转换功能等优势而备受关注。然而此类变换器结构较为复杂,包含级联模块与功率开关器件数量较多,且功率开关器件的失效严重制约了变换器的发展,此外随着变换器功率等级不断提高和应用范围不断拓展,新挑战和新问题层出不穷,因此其可靠性研究已成为电力电子变换器领域的研究热点。本课题针对无工频级联式多电平变换器的整流级,由于其存在故障率高、开关损耗大和控制器设计复杂等诸多问题,以分析整流级拓扑结构、减少系统整体损耗和提高可靠性为目的,研究所涉及到的热管理调制与控制策略等一系列关键问题。针对无工频多电平变换器的整流级综合应用需求,围绕级联全控H桥、二极管H桥级联boost、级联无桥以及级联VIENNA整流器,以损耗、效率、成本、器件应力以及输入电流THD分析为评价指标,提出了级联多电平整流器性能对比分析综合评价方法。首先建立了整流器损耗模型,通过PLECS仿真对比分析不同拓扑结构的损耗分布和效率;其次对不同整流器进行成本评估以及对各器件应力进行计算对比分析;对比不同整流器输入电流THD,并分析了适用于能量单向流动应用的整流器输入电流发生畸变的原因。所提出的综合评价方法为工程应用中拓扑结构选择提供可行且有效的参考依据。针对能量单方向传输应用场合,结合无桥整流器拓扑结构与全控H桥整流器拓扑结构的关联性,提出了基于H桥拓扑结构的周期性无桥模式切换调制策略,有效减少整流器损耗并均衡降低IGBT平均结温。研究H桥拓扑结构在整流工况下传统调制策略与所提出调制策略的工作机理,以及对IGBT损耗和结温的影响。仿真验证了该策略的正确性和有效性,并通过寿命评估理论进一步表明了所提出调制策略能够提高整流器运行可靠性。为了减小IGBT基频结温波动并进一步降低全控H桥整流器损耗和IGBT平均结温,利用局部区间降频原理,在周期性无桥模式切换调制策略基础上提出了一种优化调制策略,该调制策略适用于IGBT温度较高或其疲劳损伤度接近于1的情况。首先对该优化调制策略工作机理和适用条件进行深入分析,通过PLECS仿真验证了该策略的可行性。为研究整流器参数在该调制策略下的影响,采用方差分析定量剖析各因素的作用及影响程度,克服了实验中偶然因素造成的随机误差,提高了对结果分析的精确性。然后通过标准化处理的数据,分析建立回归分析模型,揭示了参数变量之间的关系与变化规律,在此基础上建立了适用于工程实际参数约束需求的多目标优化模型。最后结合不同调制策略特点与其对应的IGBT结温,提出全局结温管理策略的概念。根据IGBT结温所处范围区间来确定最佳调制策略,从而实现延长IGBT使用周期,提高整流器可靠性的目的。针对有限控制集模型预测控制中开关频率不固定以及IGBT结温不均衡问题,提出了结温均衡的定频有限控制集模型预测控制策略。该策略在全控H桥整流器固定开关频率运行的基础上,通过优化控制器来实现IGBT结温均衡。为适用于不同需求的应用场合,研究了该控制策略的两种实现方式,一种方式为引入IGBT壳温作为反馈量并优化价值函数,另一种方式为引入周期切换思想并优化定频有限控制集模型预测控制算法。这两种方式都实现了全控H桥整流器单位功率因数运行及IGBT结温均衡。通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。搭建小功率样机平台,并对本文所提出的周期性无桥模式切换调制策略及其优化调制策略,以及结温均衡的定频有限控制集模型预测控制策略进行实验。通过对热成像图及实验波形进行分析,验证了所提出方法的正确性和有效性。