大功率数字放大器可以广泛应用于声纳探测、水声通信等需要高电压大容量的场合。国内大功率数字功放发展较快,近些年国内也研制出了一系列功放产品,但其在电压等级、波形失真度、输出电压频段以及可靠性等方面相对美国等西方国家还存在着不足之处。因此,开展新型高压大功率数字功率放大器的研究具有重要意义。本文依托国家电能变换与控制工程技术研究中心,在国家自然科学基金重点项目“大功率电声高效换能机理与控制方法研究”[51837005]的资助下,提出了一种新型的具有宽频带低失真、宽范围负载适应性、高电压扩展性、多模式运行、冗余高可靠等优点的模块化级联多电平数字功率放大器,并围绕新型模块化级联多电平数字功率放大器的控制方法与调制策略展开了研究,主要工作和创新点体现在以下几个方面:（1）针对模块化级联多电平数字功放中直流变换器数字控制系统稳定性与动态性之间的矛盾,提出了一种预测无差拍平均模型控制方法。以移相全桥变换器为研究载体建立了多点采样无差拍控制平均模型,将传统单点采样控制转化为多点平均控制克服了单点采样易于受干扰导致控制器稳定性下降的问题;并且,在建立的无差拍控制平均模型上采用预测的方法对下一拍控制量进行了预测改善了控制器的动态性能。同时,分析了该方法在z域下的稳定性,并给出了系统稳定运行电感参数匹配范围。并且针对移相全桥变换器占空比丢失进行了前馈补偿,进一步提高了移相全桥变换器数字控制的稳态跟踪和动态性能。最后,通过仿真和实验验证了所提控制方法在改善数字控制系统抗干扰性能和提高动态性能方面的有效性。（2）针对空间矢量脉冲调制（Space Vector Pulse Width Modulat ion,SVPWM）调制在模块化级联多电平数字功放中由于计算复杂难以应用的问题,提出一种基于载波实现的多电平SVPWM调制策略。引入等效载波概念分析了载波移相（Phase Shift Pulse Width Modulat ion,PS-PWM）与载波层叠（Phase Disposit ion Pulse Widt h Modulat ion,PD-PWM）两种调制策略输出电压差异的本质原因,继而通过调整载波的方式融合了两种调制策略的优点提出了基于载波实现的多电平SVPWM调制策略。对所提策略功率单元间功率平衡特性进行了理论分析,得出了基于载波实现的多电平SVPWM调制策略功率均衡的结论;通过计算对比常规SVPWM与所提策略所需时间,证明了所提策略能大幅降低算法的计算复杂度,并且计算量不会随着电平数的增多而增加便于扩展至任意电平。最后,通过仿真和实验验证了所提调制策略在降低算法计算复杂度、提高直流利用率和减小输出电压谐波含量上的有效性。（3）针对模块化级联多电平数字功放多模式运行的需求,提出了一种统一的PS-PWM与PD-PWM等效输出调制策略。通过建立功放开关组合与输出电压两者之间的数学关系提出了一种开关组合轮换多电平调制策略。该策略通过开关组合将多电平调制分为平台电压调制和脉冲电压调制两部分并在开关组合序列的约束下控制桥臂的开通与关断,实现了桥臂间功率器件开关频率均衡与单元模块间功率均衡。以开关组合轮换策略为基础结合等效载波概念统一了PS-PWM与PD-PWM调制策略的实现方式,降低了控制系统复杂度,为功率放大器多模式下低谐波输出与可靠运用提供了技术支撑。最后,通过仿真和实验验证了所提策略的有效性。（4）针对传统载波移相不连续调制存在着谐波性能次优,低调制度下共模电压较大等问题,提出了两种基于开关组合轮换策略的多电平不连续调制方法DPWMMAX与DPWMMIN。文中通过仿真分析揭示了载波移相不连续调制策略低调制度下共模电压过大的机理,推导了通过在脉冲调制部分注入零序电压实现基于开关组合轮换不连续调制的过程。最后,通过仿真和实验验证了所提方法在优化输出电压谐波性能、改善输出共模电压上的有效性。（5）完成了5k V/30A模块化级联多电平数字功放的工程化。文中详细地阐述了模块化级联多电平数字功放主电路、控制电路、软件功能、热设计、结构等多方面设计原理与细节,并在热设计过程中结合工程设计经验推导出了一种快速评估散热器热阻和温升的实用性计算方法。最后,通过场内和场外试验对所设计功放的功能和性能进行了有效地验证。