目前,随着电力、电子产品种类的日益增多以及全电推进技术的发展,人们对用电设备的供电要求也日益提升。现如今传统工业中DC-DC控制系统普遍采用PI控制,是因为传统的PI控制可以使系统具有良好的稳态性能,且算法简单,易于实现。但是,PI控制器存在难以避免的积分滞后性,电路的动态性能也会受到控制器频宽的限制,使得PI控制在一些要求较高的场合无法满足需求。以Buck变换器作为代表性研究对象,首先设计了传统双闭环控制器,并设计了以最小启动损耗为目标的PI参数优化算法,该算法以少量实验为依据,能够逐步搜索出实现最小启动损耗对应的PI参数组合。而后对目前公认可以实现最优动态响应的基于电容电荷平衡时间最优控制策略进行了设计与研究,分析了理想情况下的时间最优动态过程。同样为了提升变换器的动态性能,设计出以能量为控制对象的直接能量控制策略,设计出直接能量控制器及其工作模式,并分析了其工作特性。该控制策略以能量平衡为控制依据,能够保证电路为负载提供的能量不超过负载期望所需,从而有效避免动态过程中的振荡,并缩短调节时间。在MATLAB/SIMULINK环境下搭建Buck变换器控制系统模型,分别对双闭环控制、时间最优控制和直接能量控制进行仿真,分析了三种控制方式的启动性能以及负载突变、给定电压突变和输入电压突变形式的动态性能,验证了直接能量控制策略的可行性与优越性,也验证了双闭环控制PI优化算法的可行性和正确性。最后,基于TMS320F28335微处理器搭建了Buck变换器控制系统的硬件实验平台,完成了双闭环控制和直接能量控制下系统的启动、负载突变和给定电压突变实验,验证了直接能量控制的可行性及其在启动和动态性能方面的优越性,并分析出实际应用中直接能量控制存在稳态输出抖动的问题,提出改进方案以待后续研究。