氮化镓晶体管具有高频、快速开关的能力。快速开关是指氮化镓晶体管具有较低的开通和关断瞬态时间，可以进一步降低开关损耗；高频是指氮化镓晶体管可以提高变换器的开关频率，进一步降低无源元件体积和重量。这些特性使得氮化镓晶体管成为变换器进一步提高功率密度奠定了基础，在电动交通工具、新能源、服务器电源等应用场合具有广泛应用前景。但当前基于氮化镓晶体管的变换器在功率密度、可靠性等方面尚未体现出明显优势，氮化镓晶体管应用中的负面效应是一个重要原因，本论文对该负面效应机理进行系统的理论研究。论文深入研究了氮化镓晶体管在高速开关瞬态和高开关频率下应用时，对控制电路、驱动电路、输出波形质量等产生负面影响的机理，提出切实可行的系统解决方案和设计准则。虽然本文的研究主体为氮化镓器件，但对于高频和快速开关的讨论并不全部局限于氮化镓，也对碳化硅器件在多电平电路快速开关引起的负面效应进行了分析，所提的分析方法及解决方案可以应用于任何拥有快速和高频开关能力的半导体器件。
　　在基于氮化镓器件变换器设计之前，需要对氮化镓器件的静态特征及动态开关行为进行研究。动态开关行为的研究建立在双脉冲测试下，与传统双脉冲测试不同，由于氮化镓器件的高速开关特性，需要合理选择电压、电流传感器，保证测试系统的带宽和精度。针对氮化镓器件，详细讨论了不同的电压、电流采样方案，并选择了高带宽的单端高压探头和同轴电阻来分别采样电压和电流。同时，测试探头与测试电路的连接方式对测试结果产生了显著的影响，得出了高频测试的正确接地方式。在精确测试的基础上，给出了氮化镓晶体管随温度变化的静态和动态开关行为测试结果。此外，对影响器件动态开关行为的寄生参数进行了研究，给出了主电路、驱动电路以及器件寄生参数对开关动态行为的影响，并指出了主导氮化镓开通速度的因素为dv/dt大小，主导关断速度的因素为di/dt大小。
　　高速和高频开关的负面效应会给变换器的设计带来严重的挑战，本文主要针对变换器输出波形质量、高频下变换器特殊设计问题和控制电路以及保护电路的噪声抑制能力三个方面进行研究。
　　死区时间和小电流下结电容充电引起的 PWM 电压上升斜坡在高频下显著地影响了PWM的有效占空比，导致高频下交流电力电子系统产生波形质量问题。本文系统分析引起了PWM电压畸变的因素，并给出了PWM电压畸变在不同电感电流模式下的定量表达式，传统方案偏向采用前馈方案对畸变进行补偿，但是传统前馈补偿由于需要实时采样电感电流和在线计算，导致前馈方案在高频下实施存在困难。本文提出了一种单周期调制器闭环方案，通过积分器采样PWM电压，与DSP输出的基准占空比进行比较，实现占空比的实时补偿。为了解决传统单周期硬件方案在调制器闭环关断期间无法进行补偿的缺点，加入了单稳态触发器快速复位积分器，使得关断畸变也可以进行补偿。所提方案在高频单相逆变器中进行了验证，并取得了良好的补偿效果。
　　传统变换器的设计准则在某些场合无法解决由于氮化镓器件高速和高频开关带来的新问题。在一些传统低频大功率场合的拓扑，比如有源中性点钳位拓扑(active neutral point clamped, ANPC)和T-type NPC拓扑。这类拓扑相比两电平拓扑，可以应用额定电压相比母线电压低的开关器件，从而减小开关损耗和导通损耗，此外三电平拓扑还可以降低dv/dt和实现较好的输出电能质量。但是，该拓扑研究大多数在低频大功率下，大部分集中在调制、EMI 设计等话题，而对功率回路分析并没有详细研究。随着宽禁带半导体的应用，三电平拓扑的开关频率随之提高，多功率换流回路在高频下会引发一些低频下往往忽略的问题，该多功率换流回路不仅会引起工频半周期中非动作开关管发生过压问题，并会造成额外的损耗。另外，在直流变换器中，传统LLC 谐振变换器对死区的限制只有下限，认为死区时间越大越容易实现软开关，但是高频LLC 实验中发现，死区也存在上限，较大的死区反而会丧失软开关特性。本文针对高频下这两个问题进行了详细分析，对高频化变换器中的特殊设计问题进行了探讨。
　　此外，变换器系统中为了得到良好的控制性能和可靠性，需要精确的采样电路和稳定的保护电路。相比传统低频开关变换系统，高频和高速开关变换器中，共模噪声将会给控制电路带来严重影响，因为传统的控制电路并没有专门针对共模噪声进行抑制，而运放、比较器等传统开关电源中常用的模拟芯片对高频共模噪声抑制能力差，所以在高频和高速开关下，给控制系统采样、保护电路带来严重干扰和影响，进而影响到变换器的输出电能质量和工作可靠性。本文对共模噪声在变换器中的传导和交互机制进行了阐述，针对该问题分别优化了电流采样传感器的布局以及采样时刻的选择，并介绍了在采样电路中如何加入共模滤波器降低共模噪声。同时对一些实验中由于传统设计缺陷带来的问题进行了分析以及改进，类如传统下拉电阻提供稳态低电平的做法在高速开关瞬态下会带来电平误触发的问题。为了进一步获得高频下变换器的高可靠性，本文也针对氮化镓器件设计了基于退饱和效应的低响应时间瞬态器件级保护，相比传统退饱和保护电路，加入了有源噪声钳位电路，增加了电路在高频开关下的噪声抑制能力。