功率放大器被广泛应用于工业测试、测量以及海底导航、成像与测距等领域。数字功率放大器凭借其高效率、高功率密度的优势逐渐取代了模拟功率放大器在大功率场合的应用。本论文所研究的数字功放主要是为实验室水声换能平台的核心装置—超磁致伸缩换能器供电，现阶段实验室换能器朝着大功率方向发展，本文数字功放采用级联全桥NPC(Neutral Point Clamped，NPC)结构实现增容增压。此外，换能器的阻抗特性受输入电流及水深等因素影响，对输入电流控制的动态性能以及鲁棒性能要求较高，为此本文提出了一种鲁棒多层模型预测控制(RM-MPC)。RM-MPC克服了传统模型预测控制(MPC)应用于级联系统存在的计算量大、对模型依赖度高的问题。主要的研究内容有：数字功率放大器的拓扑结构及工作原理分析、鲁棒多层模型预测控制的研究、实验装置研制及实验验证。将从以下几个方面展开论述：
　　(1)研究分析了级联全桥NPC功率放大器拓扑。每个子模块由前级ZVS移相全桥变换器以及后级全桥NPC逆变器组成。DC/DC变换器可实现电气隔离和连续变压，全桥NPC五电平逆变器输出波形保真度高。多模块级联拓扑可以极大限度提高功率放大器输出电压等级和功率等级。分析了数字功率放大器子模块及级联系统的拓扑结构及其工作原理；建立了NPC逆变器的线性模型并设计了传统PI控制器。
　　(2)针对超磁致伸缩换能器负载对输入电流高保真度要求，提出了鲁棒多层模型预测控制(RM-MPC)。建立级联全桥NPC逆变器的离散模型；为了提高控制系统鲁棒性，降低对系统模型的依赖度设计了基于卡尔曼滤波的扰动观测器；传统MPC应用于级联系统会存在计算量大的问题，本文采用分层控制结构，避免重复预测、估计大大减少了计算量。详细介绍了鲁棒多层预测控制的上层控制、中层控制和下层控制的控制目标及其工作原理；定量分析了RM-MPC与有限控制集MPC相比在计算量上的优势；理论上验证了多层MPC的稳定性。
　　(3)完成了一台1kV/10kW数字功率放大器样机工程设计。详细阐述了放大器主电路硬件参数的选取；构建了以FPGA+DSP+CPLD为核心的控制系统，并完成了相关外围电路的设计；搭建了由CAN、RS485、光纤以及MCGS显示屏组成的通信系统。最后完成了五模块串联的试验样机的搭建工作，并在三模块串联平台上完成对鲁棒多层模型预测控制的验证工作，证明了多层MPC跟传统PI控制相比，在稳定性、动态性、鲁棒性等方面的优势。