随着近年来开关电源逐渐向小型化、高频化、高功率密度的方向发展,基于氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体材料的功率开关器件因其导通电阻低、高频性能好等优势得到了越来越多的应用。本文中使用氮化镓器件,提出了一种基于单端初级电感式拓扑结构的升压变换器,并实现了开关管的软开通,更加适合高频下的应用。通过使用平面磁性元件和谐振驱动电路,进一步提升了系统工作效率。本课题提出的变换器在传统单端初级电感式转换器结构的基础上增加了两个升压单元,因而具有更高的电压增益,同时降低了器件电压应力。此外,还引入谐振环节,使得与开关管并联的电容能够和电路中电感谐振,使开关管漏源极电压在驱动信号到来前降至零,从而实现了软开通。本文中详细介绍了参数的设计方法以及固定参数下宽输入/输出电压调节范围内实现零电压开通的条件。开关频率的提升降低了系统中磁性元件的感值,因此可以将绕组集成在印制电路板上,并使用平面结构的磁芯,从而有效降低变换器体积。本文中还设计和比较了两种磁集成的方案,进一步对系统结构和磁性元件损耗进行优化,提升了系统的功率密度。为增强高频下开关管门极驱动的可靠性并降低驱动损耗,本文中设计采用了隔离型谐振驱动电路,通过谐振电感与开关管门极寄生电容谐振充放电加速开关。使用变压器实现隔离与双路同步信号的输出:其中原边采用桥式结构;针对氮化镓器件的特性,副边增加了电平移位电路,输出的驱动电平能够使开关管工作在最佳性能状态下。最后分析了驱动电路的损耗,提出参数的进一步优化方向。本文中采用广义状态空间平均的建模方法,建立了变换器的小信号模型,并根据绘制的伯德图设计补偿环节,改善了系统的动态性能。针对变换器软开关的实现条件设计了数字控制方案,通过脉冲宽度调制和脉冲频率调制混合控制的方式,在保障系统软开关特性的前提下实现了负载调节范围内的恒流输出。本课题通过设计并搭建一台36W额定输出的实验样机实现了对以上理论研究的验证。额定状态下,该变换器在能够实现12V～120V的电压变换,输出电流为300m A,工作频率为1MHz。实验测得波形和结果与理论、仿真分析相一致,验证了文章所述内容的正确性,系统满载下的效率可以达到91.6%。