在高输入/输出电压的功率变换场合，选取具有合适耐压值的功率开关器件往往比较困难。多电平变换器利用飞跨电容使得输入电压在串联的各开关管之间均分，不但能降低开关管电压应力和减小输出滤波器体积，还能提高动态特性，所以在输入/输出电压较高的中大功率变换场合具有广泛的应用前景。但是，多电平变换器的输出电压与各飞跨电容电压之间存在耦合的关系，是一个强耦合的非线性系统，所以需要将其解耦成多个单输入输出系统，以对飞跨电容电压和输出电压进行独立的控制。随着对开关变换器的动态特性和稳定性要求不断提高，一些非线性的控制方法被应用到开关变换器之中。滑模控制具有动态响应快、鲁棒性强等特点，是所有用于开关变换器的控制策略中鲁棒性最强的控制策略之一。与其他控制方法相比，滑模控制对开关变换器的非线性特征具有天然的适用性。模糊控制不依赖于被控对象的数学模型、对被控对象的非线性具有自适应能力，但稳态控制精度不高。PID控制具有原理简单、稳定精度高、可靠性好等特点，可是要获得满意的控制效果就需要对PID控制器的参数不断地进行在线调整。因此，把模糊控制与PID控制结合起来，利用模糊控制器对PID控制器的参数进行调节，可充分发挥它们各自的优点，以使控制效果更加完美。本文详细分析了Buck三电平直流变换器的基本工作原理，针对飞跨电容电压闭环与输出电压闭环耦合的特点，对其进行解耦，以实现对输出电压和飞跨电容电压进行独立的控制，并建立了Buck三电平直流变换器的数学模型。针对Buck三电平直流变换器工作模态复杂的特点，介绍了滑模控制及其在开关变换器中的常用分析方法，设计出基于等效控制理论的定频滑模控制器对输出电压进行控制，并结合传统PID控制与模糊控制的优点，设计出自整定模糊PID控制器对飞跨电容电压进行控制。在理论研究的基础上，对所设计的Buck三电平直流变换器双闭环控制系统进行仿真试验，仿真结果表明了理论分析的正确性和所设计控制器的优越性。