由于高速运行,方便准时,安全环保等特点,高速铁路正日益变为国民出行的首选交通工具之一。随着国民对高铁运力需求的提升,双层高铁动车组,高铁减重减体积等相关关键技术的研究迫在眉睫。相比于传统高速列车牵引传动系统中的低频变压器,车载电力电子变压器在相同功率下可以实现减重,减体积的效果。而现有工业级车载电力电子变压器工况较为复杂,级联整流器作为电力电子变压器的前级设备,其稳定运行是车载电力电子变压器正常运行的关键。首先,本文根据单相二极管钳位（Neutral Point Clamped,NPC）级联整流器的工作特点,对其桥臂开关状态、拓扑结构进行了建模分析;研究了包含网侧电流、网侧电压、直流侧电压等参数的状态空间数学模型,研究了以瞬态直接电流控制为基础的控制策略,最后利用仿真软件验证了理论的正确性。其次,为实现快速、宽范围的直流侧电压平衡控制,本文研究了单相NPC级联整流器模块内与模块间直流侧电压不平衡机理,探寻了模块内与模块间直流侧电压不平衡的解决方法。详细讨论了单相SVPWM调制策略的实现方法,并以三模块单相NPC级联整流器为例探讨了冗余矢量对直流侧电压的影响,为后文利用冗余矢量进行模块间均压的方法做铺垫。提出了一种固定平滑脉冲序列（Fixed and Smooth-Switch-Sequence Modulation,F-3SM）调制策略以解决单相NPC级联整流器的模块间直流电压不平衡问题,在该方法已实现均压的情况下研究了其优化算法,使F-3SM调制策略对直流侧电容充放电时间平衡,且有效避免开关状态的越级跳变,从而有效降低开关管的频率,降低损耗。定义负载不平衡度,通过功率平衡与伏秒平衡计算,得到F-3SM调制均压策略的稳定控制范围。在理论研究的基础上,利用Matlab/Simulink仿真平台搭建了单相NPC级联整流器电路。同时在系统未加入F-3SM均压策略、加入F-3SM均压策略以及负载切除等不同工况下,分别对单相NPC级联整流器系统网侧电流、直流侧电压、模块内电容电压以及模块间直流侧电压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,验证了本文所研究的控制策略、调制策略、模块内电压均压策略与模块间电压调制均压策略的正确性。为进一步验证本文研究内容的可靠性,搭建了小功率实验平台,完成了实验参数的设计、软件程序编写。在此基础上,完成了单相NPC逆变器实验、单相NPC整流器实验,并基于三模块单相NPC级联整流器实验平台进行了模块间均压控制实验。实验结果进一步证明了系统的主电路结构、控制策略与调制策略与均压控制策略的合理性。综上所述,本文所研究级联整流器的调制策略与控制策略可以向多模块扩展;本文所提出的基于单相NPC级联整流器的调制均压策略,能够保证在输入端口电压电平不畸变、网侧电流正弦程度较高的前提下,达到模块内电容电压与模块间直流侧电压的平衡,有效提升了车载电力电子变压器的稳定性与可靠性。