现有牵引系统中的工频牵引变压器具有质量和体积大、噪音污染以及输出电压不可调等问题,而采用电力电子牵引变压器(Power Electronic Traction Transformer, PETT)系统,能够较好地解决传统工频牵引变压器上述一系列的问题。本文研究了电力电子牵引变压器系统中的中点箝位(Neutral Point Clamped,NPC)三电平级联PWM整流器部分,并从理论分析、仿真和实验三个方面验证了系统的可行性。本文设计了用于电力电子牵引变压器中的NPC三电平级联PWM整流器的结构及其控制系统。首先研究了NPC三电平单模块变换器的拓扑结构和工作原理,在此基础上分析了NPC三电平级联PWM整流器的数学模型及其整体电压控制策略和级联整流器模块间的电压平衡控制策略。结合多电平调制技术研究现状,分析了载波反相层叠(Phase Opposition Disposition, POD)SPWM调制策略和载波移相(Carrier Phase-shifted PWM, CPS-SPWM) SPWM调制策略。根据NPC三电平级联PWM整流器电路结构特点,采用了适合该级联整流器的POD-SPWM 与 CPS-SPWM(?)结合的调制策略。在上述研究的基础上,利用MATLAB/Simulink仿真完成了十六模块级联的单相NPC三电平级联PWM整流器的仿真系统。在系统启动、空载、带负载以及负载突变等不同工况下,分别对系统单相电网输入侧电流、整流器直流输出侧、模块内直流电压均衡控制以及模块间直流电压均衡控制的仿真结果进行了分析。仿真结果表明该系统在多种工况下均能正常稳定工作。在系统的工况突变时,系统能够快速响应,直流电压超调量小,调整时间短。在带负载运行情况下,系统的网侧输入功率因数(PowerFactor,PF)接近为1,网侧电流谐波畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)低。为进一步验证系统的可靠性,本文设计了基于FPGA控制系统的小功率实验平台,完成了实验系统结构、实验参数和实验方案、单相单模块NPC三电平PWM整流器实验、单相三模块级联PWM整流器实验,以及单相九模块级联PWM整流器实验。实验结果进一步验证了本系统的主电路结构、控制策略和调制策略的可行性。综上所述,本文设计了用于电力电子变压器的NPC三电平级联PWM整流器的结构、控制系统及其调制策略。通过仿真和实验证明：通过级联方式可以有效地提高系统耐压等级,提高系统的设备容量；系统的等效开关频率提高,可以适当地降低器件的开关频率,以减少器件的开关损耗；所采用的控制策略和调制策略易于向更多级联模块扩展；采用NPC三电平级联PWM整流器的电力电子变压器在取代传统机车工频牵引变压器具有工程实践的可行性。