功率放大器广泛应用于水声通信和海洋探测等领域。模拟功率放大器工作在开关器件的线性放大区,损耗较高导致效率低,从而限制了其功率等级的提升。随着电力电子器件及其应用技术的发展,采用全控型开关器件的数字功率放大器工作于截止区和饱和区,效率高,适用于大功率的应用场合,逐渐替代了模拟功率放大器,其技术的发展对实行我国海洋战略意义重大。本文以高保真、宽频带、高电压和大功率的多电平数字功率放大器装置为对象,研究其拓扑结构、工作原理、单模块和级联控制策略等关键技术,研究的重点内容主要为以下几个方面:(1)提出了直流-直流-交流两级式多电平数字功率放大器拓扑结构,由输出电感前移的双绕组移相全桥变换器和二极管钳位型五电平逆变器组成。钳位型多电平结构可以有效降低输出谐波,而正负等电压输出的全桥变换器解决了钳位型逆变器直流侧电容电压不平衡问题。从全桥变换器和钳位型逆变器两部分结构出发,详细分析了其工作原理。通过功率守恒原理推导了前级全桥变换器的小信号模型,并采用了输出电压单闭环PI控制策略。利用状态空间法建立了钳位型多电平逆变器的单相控制模型,设计了单极性倍频调制策略,提升了等效开关频率,实现了幅值和频率的连续可调。最后,仿真结果验证了所提拓扑结构和所采用控制策略的有效性和可行性。(2)提出了多个子模块输出串联的级联型数字功率放大器拓扑结构,可有效地实现数字功率放大器的增压扩容,具备模块化、便于冗余、波形质量高的优点。阐述了正向与交替反向两种载波层叠调制的原理,揭示了载波层叠调制下串联各模块输出功率不均衡的问题。在此基础上,推导了半周期和全周期载波移相调制串联输出电压的数学表达式,对基波放大倍数、谐波频率和等效开关频率进行了定量对比分析,最终选择了调制效果不受串联数目奇偶性影响的半周期载波移相调制。分析了传统双闭环控制的稳态误差问题,设计了基于比例微分前馈的负载电流前馈控制策略,消除了负载电流扰动导致的输出电压稳态误差,并对控制系统进行了详细的参数设计。最后,仿真结果验证了理论分析与所提控制策略的正确性和可行性。(3)针对1kV/10kW的多电平数字功率放大器进行了工程设计,详细阐述了主电路参数选取原则,对控制系统硬件电路进行了设计。根据设计的参数搭建了五模块输出串联的级联型数字功率放大器实验平台,通过实验对所提拓扑、控制策略与装置研制进行了可行性验证。