由于煤矿井下等作业区域存在大量易燃易爆气体,本质安全型用电设备越来越多地应用于充满危险气体的环境中。因此,本质安全开关电源也广泛地在该环境中使用。这对本安电源的安全性和可靠性都提出了严格的挑战。同时,随着煤矿井下的监控设备以及一些传感器的增多,对本质安全型电源的功率和电压等级要求也越来越高。因此,研发出一款安全可靠性高、输出功率大的本质安全型开关电源具有十分重要的意义。通过对现有市面上的本安电源产品以及相关论文调查发现,现在设计的本安电源大多功率很小,输出电压不超过18V,功率不超过30W。受到煤矿井下的火花放电能量限制,想要进一步提高其输出电压等级或输出功率的难度将大大提高。针对这种问题,本文以本质安全型开关电源作为研究对象,通过使用GaN功率器件提高本安电源的开关频率,在规定纹波允许的范围内减少变换器输出端储能元件的容值来减少输出端短路时的火花能量。采取这样的措施可以有效提高本安电源的输出电压和输出功率。因此,本文从提高本安电源的功率及减小变换器体积出发,设计出两款分别基于GaN功率器件与Si MOSFET的有源箝位反激变换器,其输出电压为24V,满载电流为1A。首先,本文对GaN功率器件的自身特性与Si MOSFET进行对比,得出使用GaN功率器件能够提高变换器开关频率的原因。分析了本安电源的类型和保护方式,确定了本文设计的本安电源采用一次本安、后端截流型保护的模式。其次,对有源箝位反激拓扑的基本原理进行分析,推导出有源箝位反激变换器的基本工作模式、能量传输过程以及输出短路释放火花能量。根据GB3836.4中的电容电路的最小点燃曲线,给出有源箝位反激拓扑输出本安性能的非爆炸评价判据。接着,分别对基于GaN的本质安全型有源箝位反激变换器及基于Si MOSFET的有源箝位反激变换器的控制电路和功率电路进行了设计,并设计出一款截流型保护电路。对设计的两款变换器进行本安性能验证,得出了在相同设计指标的情况下,基于GaN的变换器能够实现输出本安,而基于Si MOSFET的变换器不能实现输出本安。通过仿真与制作的实验样机表明,两款变换器的主开关管和辅助开关管均能实现软开关。通过短路实验得到了基于GaN变换器的火花放电能量。根据非爆炸评价判据,得出基于GaN的功率器件设计的样机达到了输出本质安全的要求,证明了本文所设计的本安电源理论分析和设计的正确性。本论文有图59幅,表10张,参考文献84篇。