城轨交通直流牵引供电系统面临着杂散电流与轨道电位严重、列车制动能量利用率低和能量变换频率低等挑战。为此,相关学者提出高压直流城轨牵引供电系统（简称高压直流供电系统）用以解决上述挑战或不足。高压直流供电系统对其关键设备之一的直流变压器环节有着高电压、大容量和能量双向流动等要求,而现有直流变压器大多存在开关器件应力高、器件数量多、装置体积大、硬件成本高和控制复杂等不足。为此本文提出一种具有高效率、低电压电流应力的改进型多电平均压型DC-DC变换器（improved multilevel voltage-balancing DC-DC converter,IMVBDC）,并对其展开研究。本文首先分析IMVBDC的电路拓扑及直流支撑电容组自均压原理,阐释了开关器件零电流软开关特性与电流电压应力特点。研究表明IMVBDC具备模块化多电平、零电流软开关和低开关器件应力的优点,符合高压直流供电系统性能要求。同时,搭建仿真模型验证了上述分析。控制策略方面,本文首先分析了IMVBDC标准模块的调制方式,通过改变开关器件通断状态控制谐振单元充放电,然后研究均压控制消除直流支撑电容压差。在此基础上本文分别提出了IMVBDC输入电流和输出电压纹波的抑制策略,并提出了综合调制策略来实现输入电流和输出电压纹波同时抑制。然后,通过仿真验证了上述控制理论分析的正确性。最后,本文设计并搭建了7电平IMVBDC实验样机,在对IMVBDC基本性能、均压控制和纹波控制验证基础上,开展了高压直流供电系统动态的列车运行实验。实验结果表明IMVBDC具备高电压、能量双向流动和高效率等优点,符合高压直流供电系统要求,也验证了高压直流供电系统具备杂散电流与轨道电位抑制、列车制动能量利用和能量变换过程频率高等优点。