电力电子牵引变压器（Power Electronic Eraction Transformer,PETT）作为解决传统工频变压器笨重和低效问题的主要方案,受到国内外众多研究学者的青睐。单相级联NPC整流器（Single-Phase Cascaded Neutral-Point-Clamped Rectifiers,SPCNPCR）为PETT前端输入级的三电平拓扑,包含了大量的功率半导体器件和传感器,故障率相对于传统电力牵引变压器显著提高。因此,为保证SPCNPCR的安全稳定运行,进一步提高其可靠性,研究其功率半导体器件和传感器的故障诊断算法具有重要意义。本文以SPCNPCR系统为研究对象,针对绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）和网侧电流传感器的故障,基于模型和信号处理结合的方法开展了SPCNPCR系统统一故障诊断算法的研究。首先,分析SPCNPCR运行模式及其对应的工作原理,并基于SPCNPCR的控制目标研究了控制系统中的整体电压控制策略、模块间均压控制策略、模块内均压控制策略以及载波移相与层叠相结合的调制策略。然后引入SPCNPCR的连续变量和离散变量搭建了混合逻辑动态（Mixed Logical Dynamic,MLD）模型,并通过MLD模型得到了网侧输入电压、网侧电流以及直流侧输出电压的估计值,进而分析并得到了IGBT开路故障和网侧电流传感器增益、偏置以及漂移故障的数学模型以及两种故障对应的故障特征。接着通过比较实际测量得到的电流、电压实际值和MLD模型得到的估计值计算出残差以及残差变化率;在此基础上,电压残差用于区分故障类型以及定位发生IGBT开路故障的级联整流器模块,电流残差用于检测模块中具体的故障IGBT和故障的传感器。最后,基于仿真和硬件在环测试平台验证了所研究的SPCNCPR的统一故障诊断方法。结果表明,该方法可准确区分IGBT和电流传感器故障类型,并定位发生故障的整流器模块且实现该模块内单个或多个IGBT的开路故障定位,同时也可有效区分网侧电流传感器的增益、偏置和漂移故障。