海洋蕴藏着丰富的矿产资源和生物资源,与人类的生存和发展息息相关,因而海洋探索成为当今世界人类科学技术研究的重要课题。海洋通信技术是海洋探索领域最关键的技术之一,其中依靠电声换能器发出大功率声波信号是实现深水远距离海洋通信的主要方式。数字功率放大器是驱动电声换能器发出声波的核心装备,其输出保真度、运行可靠性等技术指标直接影响水声通信的系统性能。本文分别就数字功放的高鲁棒性控制、低复杂度控制、开路故障诊断及无缝故障容错等若干关键问题进行深入分析与探讨,并提出相应的解决方案,对数字功放实现高保真输出、提高可靠性以及延长使用寿命等具有重要理论意义与工程应用价值,可为海底导航、水声测距、海洋声层析成像等技术的发展提供技术支持。本文在国家自然科学基金项目《大功率电声高效换能机理与控制方法研究》[51837005]和国家自然科学基金项目《耦合谐振网络型多路谐振变换器拓扑、无源均流机理和控制技术研究》[51977069]的资助下,依托国家电能变换与控制工程技术研究中心,围绕全桥NPC（Neutral Point Clamped）型高保真数字功放的高鲁棒性控制、低复杂度控制、开路故障诊断、无缝故障容错等内容进行研究,主要工作和创新点如下:（1）针对单模块数字功放因滤波器参数摄动导致的输出电压波形失真问题,提出了一种基于扰动观测的鲁棒模型预测控制。分析了单模块数字功放的电路拓扑及其在不同模态下的运行机理,揭示了不同开关状态对其内特性和外特性的不同影响。建立了由滤波器额定参数表示的离散模型,阐明了滤波器参数摄动导致输出波形失真的原因。在此基础上,提出了基于卡尔曼滤波的扰动观测器,证明了扰动观测器的稳定性。设计了单模块数字功放的有限集模型预测控制,同时实现了电压输出跟踪和直流电容电压平衡。开展了单模块实验验证,结果表明在未配置负载电流传感器且滤波器参数存在±50%摄动的条件下,所提方法实现了功放的高保真电压输出,提高了系统鲁棒性。（2）针对多模块级联数字功放因开关状态数过多导致控制器计算量过大的问题,提出了一种基于分层结构的简化模型预测控制。分析了多模块级联数字功放的电路拓扑,建立了以输出电平为控制选项的离散预测模型,使输出电流跟踪与控制选项呈线性关系。提出了包含上、中、下三层的多层模型预测控制,显著减小了控制器的计算量。在上层控制,集中处理了与控制选项呈线性关系的控制目标,避免了重复预测与评价损耗函数;在中层控制,进行了输出电平分配,实现了电容电压平衡;在下层控制,确定了子模块的开关状态,减小了开关动作次数。采用分类讨论的方法证明了所提多层模型预测控制的稳定性。开展了多模块实验验证,结果表明所提方法可使控制算法的运算耗时由3.76ms减小至7.3μs。（3）针对多模块级联数字功放内多个开路故障器件诊断困难的问题,提出了一种并行的开路故障诊断方法。分析了在输出电流正方向和负方向时IGBT开路故障引起子模块电容电压异常变化的规律,总结了开路故障诊断的故障特征。推导了电容电压异常变化的提取方法,避免了子模块直流电源电压低频波动造成的不利影响。提出了采用并行结构的开路故障诊断方法,使不同子模块的故障诊断相互独立。分析了所提方法能同时诊断内管故障和外管故障的可行性,揭示了测量噪声对所提方法的影响,避免了测量噪声引起的误诊。实验结果表明,在实验样机三个子模块的不同位置均发生开路故障的条件下,所提方法在单个正弦波周期内并行地完成了对所有故障器件的精确诊断。（4）针对多模块级联数字功放因器件故障导致输出电流波形失真的问题,提出了一种基于冗余子模块自主控制的无缝故障容错方法。分析了不同运行阶段维持输出波形保真度的控制需求。在正常运行阶段,提出了冗余子模块输出0电平的旁路方法,加快了冗余子模块投入速度;在故障诊断阶段,提出了冗余子模块的自主控制方法,补偿了输出电流跟踪误差;在故障重构阶段,提出了冗余子模块代替故障子模块运行的重构方法,确保了重构后功放的满额输出。分析了基于电流跟踪误差进行故障检测的门槛值选择方法,避免了正常运行时产生误动作。预估了波形恢复所需最长时间,量化地证明了实现无缝故障容错的可行性。实验结果表明,器件故障使级联功放的输出电流波形严重失真,跟踪误差累积可达29.4%;采用所提方法后,波形失真和跟踪误差明显减小,在故障条件下实现了高保真电流输出。（5）研制了额定功率为10k W的高保真数字功放实验样机。推导了子模块内DC/DC和DC/AC两部分的主电路参数,开展了两部分的功率开关器件选型和控制电路设计。搭建了五个子模块级联的多模块实验样机,设计了实验样机的主控制器和扩展控制器。最后,对所设计的实验样机进行了性能测试,结果显示所设计样机实现了高保真输出,可靠性好,符合设计要求。