D类功率放大器是一种新型的功率放大器，具有效率高，体积小的特点，往往效率可达90％以上，但其带宽、保真度和稳定性没有A、B类功放好，输出电压的带宽较低，必须在信号的频率、滤波器的截止频率和开关频率之间做一个折衷。因此，采用多电平技术的D类功率放大器输出信号控制及其滤波器设计是D类功率放大器研究的两项技术难题，本论文针对这两项技术难题从理论分析、仿真计算和实验验证开展了研究工作。 本文在分析了单相全桥PWM逆变电路输出电压的谐波特性的基础上，计算了多电平相移PWM逆变电路的输出信号谐波状况，比较了可用于D类功率放大器的输出滤波器的拓扑结构，推导了多种类型滤波器的传递函数，并对它们的滤波效果进行了计算，通过计算确定了级联型多电平D类功率放大器输出滤波器的类型，并对多电平D类功率放大器输出滤波器的参数选择进行了研究。 本文建立了多电平D类功率放大器的数学模型，推导了电平D类功率放大器的输出电压、输出电流、输出功率、输入阻抗和输出阻抗的开环传递函数，采用系统频率特性法对电压、电流双闭环PI控制系统进行了设计，推导了输出电压、电流在校正前的传递函数、PI控制器的传递函数以及校正后的开环传递函数，详细分析了它们随负载品质因数和输出频率变化时的幅值相角特性，着重研究了多电平D类功率放大器电压和电流PI控制器参数的选择方法，得出了系统的电流、电压、输出功率、输入阻抗和输出阻抗的闭环传递函数，试验结果验证了理论分析的正确性。 本文提出了两种多电平D类功率放大器的滑模变结构控制方案，通过系统的可实现性选定了开关频率固定的一种滑模变结构控制方案作为重点研究对象，推导了保证系统滑模状态存在和可到达条件的系统参数选择范围，分析了系统的稳定性，研制了一台峰值功率2kW基于滑模变结构控制的级联型多电平D类功率放大器样机，并进行了实验验证。实验结果表明：本文提出的开关频率固定的滑模变结构控制系统不仅对阻性负载、感性负载而且对桥式整流负载都具有良好的快速跟踪性能和稳定性，较高的效率和较低的输出信号THD值、较好的系统线性度和对输入信号的跟随性能。 本文采用FPGA研制了D类功率放大器的多路PWM触发电路，利用FPGA实现了信号的数据采集、三角波发生以及比较变换和触发信号发生等功能，在仿真验证的基础上制作了实验系统，并进行了实验验证。