工作在临界导通模式（BCM）的DC-DC变换器具有实现小尺寸、高效率和高带宽的潜力,被广泛应用于汽车电子、通信和可再生能源等中小功率领域。由于现代开关电源设备在集成度、功耗及应用稳定性上的要求越来越高,与之相关的模型改进及性能优化是学术界的研究热点。本论文从电感电流、变换器和器件的模型出发,研究了数字控制BCM变换器的模式实现、通用控制策略和效率优化等关键技术。针对BCM变换器模式实现的成本及鲁棒性问题,开展了针对变换器电流内环的研究,取得了一种无需电流传感器的纹波电流模式（SRCM）的电流模式实现控制器成果。考虑电感、开关管的导通电阻和二极管的正向压降等阻性寄生参数,量化电感电流在阻性寄生参数影响下的变化过程,提出了电感电流的阻尼变化模型。以电感电流阻尼模型为基础,证明在SRCM控制下周期结束时的电感电流谷值的下降趋势,说明变换器自发收敛至BCM的特性。同时,考虑实际电感值与控制器电感值的失配,研究稳态时阻尼模型下实际电流与理想电流的相对误差,证明了SRCM控制下的BCM不受电感失配影响。进一步地,考虑瞬态时电感电流受输出电压的影响,研究了防止变换器模式偏移的控制器限定方法。转换器不仅在无电流传感器时完成BCM模式实现,而且具备耐电感失配特性。最后在Boost转换器原理样机中,设计了不同电感失配程度下的稳态及瞬态实验,验证了SRCM控制器下的电路的模式稳定性及瞬态鲁棒性。针对BCM变换器在线性控制下多种瞬态响应不能同时优化的问题,开展了针对电压外环控制器的线性控制器的研究,取得了一种基于线性叠加补偿原理的通用控制策略成果。以针对输入电压、参考电压及负载的闭环传递函数为基础,考虑数字控制中的采样及计算延迟效应对系统建模产生的影响,得到了变换器精确的闭环小信号模型。该模型的幅频响应与电路模型的高度匹配,验证了以该闭环小信号模型作为参考设计的有效性。根据线性叠加原理,将各个补偿器的结果求和作为参考电流,然后由SRCM控制器调制主开关管的开关时间。为了消除因为补偿器中积分项可能导致的发散问题,对补偿环路做出修正,以适合控制器的数字化实现。最后,该策略不仅能够同时优化瞬态过程,而且提供了一种直接依据闭环传递函数特性的补偿器设计方法。最后,针对BCM变换器软开关实现时电流过零点精度问题,开展了针对非线性电容参与的谐振过程进行理论分析研究,取得了可以计算精确软开关时间的分段等效电容模型成果。在软开关实现过程中,参与谐振过程的电容随电压变化呈现强烈的非线性特性。研究电容随电压变化的影响,将电容以变化程度为依据分段线性化,提出了分段等效电容模型。在该模型基础上,研究BCM变换器软开关过程中的分段谐振方程组。依据谐振方程组及变换器实际特性,分析电感电流从负到正的过零点。该电流过零点对应BCM变换器的软开关时刻,由此获得了精确的软开关时间。与传统的恒定值等效模型相比,基于分段等效电容模型的软开关时间能够更好地解决软开关偏移问题。最后,在基于Ga N高电子迁移率晶体管和Si C二极管的Boost变换器原理样机中,验证了基于分段等效电容模型理论软开关时间的准确性,提升了变换器整体效率,并实现了200W输出功率水平下99.15%的峰值效率。