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高频化是减小DC-DC变换器体积、提高功率密度的重要技术路径,但高频化也对变换器的主电路以及控制系统设计提出了新的挑战。在主电路设计方面,主要挑战是高频化带来的高开关损耗问题。目前,通过应用碳化硅、氮化镓等新型宽禁带器件,或是引入软开关技术,已能显著减少开关损耗,DC-DC变换器的开关频率最高已达100MHz。在控制系统方面,主要挑战在于需在极短的开关周期内实现高性能控制。目前,技术成熟的模拟控制是高频变换器的主要控制方式,但模拟控制的环路稳定裕度和响应速度均由硬件决定,在运行过程中无法灵活调整,因而在运行工况大幅变化时,需要在动态性能和稳定裕度之间做出妥协,且难以实施先进控制算法。因此,具有可灵活编程、可靠性高、调试和维护简单、扩展性好等特点的数字控制在高频控制中的应用潜力巨大。受限于高开关频率这一约束条件,当前高频DC-DC变换器的数字控制多采用数字滞环、数字PID等易于实现的算法,控制性能有限。而模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）作为一种基于模型信息的动态规划算法,能够充分利用模型信息,设计多元的目标函数和约束条件,并实时滚动优化控制策略,因此能够兼顾超调量和动态调节时间等性能指标,是提升控制性能的优选方案。然而,MPC的在线计算复杂,难以在高开关频率下实施,虽然已有学者在MPC基础上进一步提出控制律可离线求解的显式模型预测控制（Explicit MPC,EMPC）,但EMPC仅适用于线性时不变控制对象,用于非线性、时变的DC-DC变换器时需存储大量控制律,在线查找耗时长,即使采用高运算速度的现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Arrays,FPGA）,其开关频率也未超过400k Hz;且EMPC性能依赖于模型参数准确度,需进一步添加自适应设计来保证控制性能,导致在高开关频率下实施更为困难。为在高开关频率约束下实现EMPC,并令其能够自动适应电路工作点和参数变化,本文从EMPC系统优化及其FPGA实现两个角度出发展开研究,并在EMPC系统优化阶段即充分考虑其在FPGA中实现的便利性,以实现控制性能、计算开销和存储负担等多个因素的综合考虑。本文的主要研究内容如下:（1）状态反馈线性化型EMPC系统的设计和优化:EMPC可将复杂的在线计算问题简化为控制律的存储与查找问题,从而降低在线运算负担。但EMPC只适用于线性时不变控制对象,应用于非线性且工况变化的变换器时,需针对不同工作点分别展开设计,存储大量控制律且耗费大量在线查找时间。为此,本文利用状态反馈线性化技术构造出“包含工作点信息的新状态变量+线性时不变状态方程”的等效控制对象,将工作点变化的影响转移到新状态变量中,仅需设计一组控制律即可适应工作点的变化。并构造了滑模观测器来保证含有工作点信息的新状态变量准确性,从而实现了对工作点变化的自适应。该控制系统既保留了EMPC的高动态性能,又使EMPC进一步具有了对工作点的自适应能力,还缩短了实时实施所需的总执行时间,更为适用于高频控制;（2）神经网络型EMPC系统的设计和优化:状态反馈线性化型EMPC系统中,包含了状态观测、新状态变量、在线查找和控制量反解等多个计算环节,在线计算和存储负担仍较大。为此,本文进一步提出采用一个神经网络拟合大量EMPC律的思路。本文选取单隐含层、多节点的“宽度神经网络”以保证运算并行性;提出一种维度扩展方法以避免不同工作点下拟合关系的混淆,将工作点信息转移到神经网络的输入变量中,从而能够在实时控制中自然地实现对工作点的区分,达到自适应工作点变化的目的。拟合训练完成的神经网络仅需数十个参数即可等效表达大量EMPC控制律,极大地减轻了实时存储负担,消除了在线查找负担。此外,“宽度神经网络”的并行结构与FPGA的硬件特点高度匹配,更有利于高频实时控制;（3）神经网络型EMPC系统的自适应算法:上文中神经网络拟合的是离线求解的EMPC律,当实际电路参数和模型参数存在差异时,控制性能必然受到影响。为此,本文进一步提出神经网络控制器的实时训练方法,使得神经网络控制器具有对电路参数变化的自适应能力。与采用单个时刻误差或整个动态过程总误差进行训练的两类传统方法不同,本文以一段区间内的动态过程为依据对神经网络进行训练,提出了一种可有效描述动态性能的分段式目标函数,给出了使目标函数最小化（即动态性能提升）的训练法则。该法则可在实时控制的同时并行执行,在实现动态性能提升的同时减少了计算量。将神经网络控制器从“离线学习”拓展至“在线优化”,能够自动适应电路参数变化;（4）两类EMPC系统的FPGA高速实现:为在FPGA中方便高效地实现上述两类控制系统,本文对上述算法中出现频次最高的“循环遍历判断”、“神经网络前向计算”、“神经网络参数训练”和“功能串并行执行”等典型环节进行了分析,并基于“空间换时间”的原则给出了上述典型环节的FPGA实现方法,兼顾了FPGA设计的便利性和算法的实时性。基于所给出的实现方法,本文以经典的buck变换器为控制对象,给出了上文所提出的两类控制系统的FPGA实现方案,在最高达3MHz的开关频率下进行了系列实验验证,对其综合性能进行了全面评估。基于上述研究,本文形成了一套基于EMPC的控制系统分析、设计与FPGA实现方法,在保留EMPC优点的同时,使其具有了电路工作点和参数自适应能力,可满足高频DC-DC变换器的高性能控制需求。实验结果充分验证了所提方案的有效性。本研究可为高频DC-DC变换器的高性能控制提供设计依据和参考。