城轨交通系统是缓解现代城市交通问题的重要工具。现代城轨交通系统普遍采用架空接触网的供电方式。架空接触网式的供电造价高,同时影响城市美观,因此在城轨交通供电方式的选择中如何更好地降低成本,美化环境成了国际关注的热点。超级电容有大功率密度,快速充放电和寿命较长的优点,使得基于超级电容的供电方式在城轨交通系统中有着广阔的应用前景。在城轨超级电容供电系统中,大功率充电机是必须的设备。本文从以下几个方面对超级电容充电机展开了研究：主拓扑的设计。论文在基于城轨车辆用超级电容充电机高效率大功率充电的要求下,选择了模块化三电平Buck变换器为主拓扑的超级电容充电机。三电平Buck变换器与两电平变换器相比,能减小电感大小,降低噪声,提高开关频率。分析了模块化电路的结构,相比于单模块结构,它可以增加系统的冗余,减小电路中的电流脉动和谐波含量。针对充电机设计的指标要求,对主电路参数进行了计算和设计。控制策略的设计。根据超级电容的充电特性,采用了恒流限压的充电方式。根据变换器中飞跨电容上的电压调节特性,设计了一种飞跨电容稳压的控制策略。在模块化的结构单元中,每个模块之间又加入了错相的控制策略。最终形成了充电机的恒流、限压、稳压、错相的总控制方案。并对控制器的结构进行了设计。仿真验证。在Matlab中对所设计的模块化三电平Buck变换器搭建系统模型进行仿真分析,验证了所设计的参数在系统电压和电流波动最大时,能满足设计指标中电感电流与电容电压波动的要求,通过对三重化电路的仿真分析,验证了所设计的控制策略的正确性。实验验证。利用实验室现有的实验条件与设备,在英飞凌单片机的硬件控制和MFC的上位机的监控基础上,搭建实验平台进行小功率的三电平充电机的调试实验,实现了所设计的三电平充电机的功能。