随着通信、计算机以及国防工业等领域的迅猛发展,数据中心、通信基站和航空航天等领域的供电架构在短短几十年间经历了由集中式供电架构发展到分布式供电架构,再到中间母线供电架构,最后到高压母线供电架构的巨大变化。高压母线供电架构因其具有可靠性高、扩展性好、体积小、成本低等优势在很多应用场合中受到青睐。针对高压母线供电架构对母线变换器转换效率和功率密度的的要求,论文从转换效率和输入输出特性的角度出发,在比较了各种大功率软开关的拓扑及工作在D2D与DCX模式的优缺点和半导体器件发展的基础上,提出了基于LLC谐振变换器拓扑和GaN HEMT的1MHz母线变换器方案。本文首先介绍GaN LLC谐振变换器的工作原理与特性,分析结果表明,当LLC谐振变换器工作在感性区且开关频率低于谐振频率时,变换器所有开关管均能实现软开关,开关损耗小。当LLC谐振变换器的开关频率等于谐振频率时,变换器转换效率最高,特别适用于高开关频率软开关应用场合。然后分析了电感比Ln和品质因数Q对电压增益特性的影响。接着以额定输入270V（230～400V）,额定输出28V,开关频率为1MHz为设计指标,采用GaN HEMT对LLC谐振变换器进行参数优化设计、器件选型、电路设计和变压器结构设计,研制出了一款变压器匝比为10:2:2的原理样机Ⅰ,功率密度达14.95W/cm~3,相较于300k Hz原理样机的功率密度为3.21W/cm~3,提高了近5倍。实验结果表明了应用GaN HEMT将LLC-DCX开关频率提高到1MHz的方案的可行性和合理性。然而,样机存在低压输入时,转换效率较低的问题,230V输入和270V输入的满载效率相较于400V输入的95%,下降明显,分别仅为87.05%和90.09%。结合理论和实验现象分析,原因包括以下几点:（1）变压器二次侧绕组为2匝,重载时变压器绕组损耗大,并且二次侧绕组的2匝是通过多个通孔连接起来的,在高频时,这些通孔也具有高频集肤效应和临近效应,会产生较大的损耗;（2）二次侧同步整流管的数量少,重载时同步整流管导通损耗大;（3）变压器和功率板连接时通过外部端子连接起来的,重载时会产生较大的端部损耗。为解决样机Ⅰ在低输入电压负载电流大时转换效率低的问题,分别从变压器匝数、同步整流导通损耗和变压器端部损耗的角度进行优化设计,进而分别研制了5:1:1单变压器原理样机称为样机Ⅱ和5:2:2分裂变压器原理样机称为样机Ⅲ。实验结果表明,样机Ⅱ和样机Ⅲ在全负载范围内转换效率均有提高,体现了优化设计方案的正确性。样机Ⅱ的功率密度为18.88W/cm~3,根据样机Ⅱ与样机Ⅰ的实验结果对比,减小变压器匝数不仅可以减小了变压器漏感,而且可以减小变压器导通损耗,将230V、270V和400V输入的满载效率从87.5%、90.09%和95%提高到89.77%、93.25%和97.18%。样机Ⅲ的功率密度为14.95W/cm~3,样机Ⅲ和样机Ⅰ对比实验结果表明,分裂变压器方案从二次侧分流的角度,降低了二次侧的导通损耗,将230V、270V和400V输入的满载效率从87.5%、90.09%和95%提高到91.65%、94.05%和97.14%。三款样机综合比较,样机Ⅲ的转换效率和功率密度能够满足未来母线变换器对转换效率和功率密度的要求。