消费电子、数据中心、新能源等领域的迅猛发展对功率变换器的体积、重量、功率密度以及效率提出了越来越严格的要求。对于开关型功率变换器(Switched Mode Power Supply,SMPS),电感、变压器和电解电容等无源元件占据了变换器的大部分体积,极大地制约了系统功率密度的提升。提高系统工作频率能够减小每周期内无源元件所需存储的能量,有效减小其数值与体积,提高系统的功率密度。但是高频条件下迅速增加的开关损耗、磁性元件损耗以及驱动损耗等成为其发展的瓶颈。本文针对高频功率变换系统高性能拓扑结构、磁性元件优化设计方法、高效驱动控制方法等方面的关键技术进行深入研究,主要研究内容如下:以LLC、LCC等为代表的半桥谐振变换器主要关注开关管开通时刻的软开关特性,当谐振腔阻抗呈感性时,开关管能够实现零电压开通特性。但是在高频条件下,开关管过高的关断电流会造成较大的关断损耗,制约系统效率的提升。为解决上述问题,本文提出了一族具有零输入阻抗角特性的高阶谐振网络,并基于相应网络建立了CLCL半桥谐振变换器,其具有零电压开通、零电流关断软开关特性。进一步分析了所提CLCL半桥谐振变换器工作机理、电压传输特性及无源元件参数设计方法。同时现有谐振变换器建模方法往往仅针对低阶谐振网络,对于高阶谐振网络情况缺少相应的指导。为解决上述问题,本文采用扩展描述函数方法建立了所提出的CLCL谐振变换器小信号模型。同时以谐振电感、谐振电容模型为基础,研究了高阶半桥谐振变换器系统化建模方法。围绕所提半桥CLCL谐振变换器,进一步研究其系统效率提升方法及平面磁性元件优化设计方法。本文分析了零电压开通条件下半桥结构开关管损耗特性并分析了其死区时间优化方法,对比了不同材料开关器件的损耗特性。同时在高频谐振变换器中,平面型磁性元件能够有效降低变换器垂直高度并提供较大的散热面积。平面型磁性元件可以利用印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)上的铜线作为绕组,这种方式能够保证磁性元件具有较好的一致性和可重复性。但是一旦PCB制作完成,绕组结构及参数等就无法改变。因此高效、准确的平面磁性元件设计方法亟待提出。本文面向平面电感和平面变压器分别建立了基于响应曲面法(Response Surface Method,RSM)和基于模块化层间模型(Modular Layer Model,MLM)的设计方法。同时本文提出了变宽度平面绕组结构及其最优变比系数设计方法,该结构能够有效减小平面绕组的交直流阻抗。1MHz半桥型CLCL谐振变换器实验结果验证了所提出拓扑、优化设计方法的正确性与有效性。提升系统开关频率至几十兆赫兹可以进一步减小无源元件的数值与体积,但由于驱动电路设计、死区时间调整、寄生参数控制等方面的制约,半桥结构不适用于此频率条件下,因此本文研究了单管型谐振变换器。本文首先研究了基于Class E谐振逆变环节、L型匹配环节及谐振整流环节的非隔离型单管谐振变换器。该拓扑充分利用了开关管及二极管的寄生电容参数,减小了相应参数对高频系统工作模态的影响。同时提出了具有阻性传输特性的T型匹配网络,基于该网络的单管谐振变换器在变负载条件下仍具有软开关特性,实现低载条件下系统效率的有效提升。研究基于漏源极电压反馈的高频自谐振驱动策略及电压反馈网络优化设计方法。同时针对传统谐振驱动网络损耗高的问题,构建了具有分流支路的高效谐振驱动方法及驱动电路参数设计方法,有效降低高频驱动损耗,同时阐述了基于PWM滞环控制的输出闭环控制策略。针对具有电气隔离需求的应用场合,在上述非隔离型拓扑基础上提出了基于平面空芯变压器的隔离型单管谐振变换器。现有的谐振整流环节设计策略往往基于参数扫描的方法,即通过不断调整系统参数与仿真结果比对来确定满足整流环节输入输出侧特性要求的谐振元件参数,该方法耗时较长且缺少定量分析。为解决上述问题,本文建立了谐振整流环节的数学模型,分析了输入侧阻抗角、二极管电压应力等特征参数影响因素,给出了整流环节参数优化设计方法。同时为减小开关管的电压应力,研究包含变压器励磁电感、漏感参数在内的开关管阻抗优化网络,通过高次谐波的控制实现了开关管电压应力的有效降低。为满足阻抗网络对漏感、励磁电感等参数的要求,本文研究了平面型空芯变压器优化设计方法,分析了绕组结构参数对变压器自感及互感特性的影响。20MHz隔离型单管谐振变换器的实验结果验证了所提拓扑及设计方法的正确性。