主办单位：中国电源学会、中国电源学会科技竞赛工作委员会
承办单位：上海交通大学
冠名合作伙伴：英飞凌科技（中国）有限公司
联合合作伙伴：湖南艾华集团股份有限公司、深圳麦科信科技有限公司
测试合作伙伴：恩智技术股份有限公司、一诺仪器（中国）有限公司

◆ 竞赛题目：高效高功率密度双向车载充电电源设计

随着新能源汽车产业的持续扩张，车载充电电源（On-Board Charger, OBC）作为连接电网与动力电池的核心枢纽，其性能直接决定了整车的充电效率与用户体验。当前，车载电源系统正面临对功率密度、转换效率及双向能量传输能力的更高要求。碳化硅(SiC)、氮化镓（GaN）及双向开关（GaN BDS）等宽禁带器件的发展，为车载电源的小型化、高效化设计带来了更多可能性。本赛题聚焦于电动汽车车载应用场景，要求设计一款面向400V电池平台的高效、高功率密度双向DC/AC变换器。参赛作品需满足高可靠性、低损耗及紧凑型设计的要求，推动宽禁带器件在新能源汽车领域的创新应用。鼓励采用创新拓扑结构、先进控制算法或热管理方案，在效率、功率密度和成本之间实现最佳平衡，为车载供能系统提供高性能解决方案。

◆ 参赛设计技术要求

1. 参赛设计至少包含附件英飞凌推荐的新型宽禁带器件列表中的一款高压器件。
2. 考虑操作便利性与安全性，竞赛以电池模拟器为验证平台，围绕转换效率和功率密度为主要目标开展创作。
3. 不限定功率变换器拓扑，开关频率大于100kHz；
4. 低成本设计，主板结构不超过4层板；
5. 自然冷却，要求能在25℃环境温度下持续满载工作10分钟。

◆ 具体参数指标

1. 交流侧电压：1.220Vac（±10%）/50Hz（48.5Hz-51.5Hz）
2. 直流侧电压：200Vdc-400Vdc
3. 双向传输功率：600W
4. 正向（放电）工况交流侧输出电压质量：交流侧带纯阻性负载，交流电压精度±1%；交流频率精度±1%；交流电压THD <3%@满载。
5. 反向（充电）工况PFC性能及交流侧电流质量：交流侧带电网模拟器，交流侧输入功率精度<2%，功率因数PF>0.98@满载，交流电流THD<5%@满载。
6. 直流侧电压为200V-400Vdc的平均转换效率：充电平均效率>92%；放电平均效率>92%。
7. (加分项)并网（充放电切换）工况测试：功率因数±0.8范围可调；正反向运行可在线切换，切换时间<50ms。
8. 是否隔离：隔离
9. 功率密度：不低于2W/cm³（包含散热器尺寸）
10. 控制实现方式：模拟数字均可

◆ 测试要求

1. 正向（放电）工况测试

目标：验证正向（放电）模式下，变换器在不同直流电压下的交流输出质量。
测试条件：
 —  直流侧电源（模拟电池）：电压范围200V-400V。
 —  交流侧负载：纯阻性负载，分别调节至200W/600W。
 —  示波器/功率分析仪设置：测量带宽20MHz。
测试步骤：
 — 调节直流侧输入电压分别为200V、400V，在各输入电压点下，加载至200W/600W，记录交流侧输出电压有效值、频率及THD。
验收标准：
 — 交流电压精度：220Vac±1%；频率精度：50Hz±1%；电压THD：<3%@满载。

 

2. 反向（充电）工况测试

目标：验证反向（充电）模式下的PFC性能及电流质量。
测试条件：
 —  交流侧电源（模拟电网）：220Vac/50Hz。
 —  直流侧负载（模拟电池）：电压设定200V-400V。
 —  示波器/功率分析仪设置：测量带宽20MHz。
测试步骤：
 — 设置直流侧电压为200V、400V，变换器控制交流侧输入功率为200W/600W，记录交流侧输入功率、功率因数（PF）及输入电流THD。
验收标准：
 — 交流侧输入功率精度<2%；功率因数PF：>0.98@满载；交流电流THD： <5%@满载。

 

3. 转换效率测试

目标：验证变换器的转换效率是否满足设计要求
测试条件：
 —  测试时间：变换器运行稳定后开始记录效率(含辅助电源)
 —  测试设备：功率分析仪
测试步骤：
 （1） 充电效率：额定功率，固定交流侧电压为220Vac/50Hz，调节直流侧电压从200V至400V，每隔50V取一个测试点，记录效率并计算平均值。
 （2） 放电效率：额定功率，固定交流侧电压为220Vac/50Hz，调节直流侧电压从200V至400V，每隔50V取一个测试点，记录效率。
验收标准：
 —  充电平均效率>92%；放电平均效率>92%

 

4. 功率密度测试

目标：验证变换器的功率密度是否满足要求
测试步骤：
 （1） 测量变换器的外部尺寸（包含散热器尺寸），根据长×宽×高计算体积（cm³）。变换器长宽高以测得变换器最长、最宽、最高点计算
 （2） 功率密度计算：功率密度=输出功率/体积
验收标准：
 — 功率密度 ≥ 2W/cm³

 

5. 持续工作稳定性测试

目标：验证变换器在室温下的持续工作能力
测试条件：
 —  环境温度：25℃，自然冷却
 —  直流侧电压：300Vdc。
 —  交流侧电压：220Vac/50Hz。
 —  放电功率：600W。
 —  测试时间：10分钟。
测试步骤：
 （1） 启动变换器并稳定工作10分钟。
 （2） 记录变换器的输出电压、电流、功率。
验收标准：
 —  变换器在额定工况下能够稳定工作10分钟，无保护触发、异常或故障。

 

6. 加分项：并网（充放电切换）工况测试

目标：验证变换器在并网状态下的功率因数调节精度、交流电流质量以及正反向功率切换的动态响应能力。
测试条件：
 —  交流侧电源（模拟电网）：220Vac/50Hz。
 —  直流侧双向电源（模拟电池）：电压设定300V。
测试步骤：
 （1） 功率因数（PF）调节测试：设置直流电压为300Vdc，变换器运行于额定功率600W；通过外部指令分别调节功率因数目标值为+0.8、1.0、-0.8。待稳定后，分别记录功率分析仪上的实测PF值及交流电流THD。
 （2） 正反向切换测试：设置直流电压300Vdc，初始状态设定为单位功率因数反向充电600W。发送指令切换至单位功率因数正向放电600W，使用示波器捕捉切换瞬间的电流波形，测量切换时间。
验收标准：
 —  交流功率因数（可调）：范围±0.8，精度±0.05。
 —  交流电流THD：<5%@满载（覆盖PF=1、-0.8、+0.8三种工况）。
 — 功率切换时间：<50ms。