随着电动汽车市场的快速扩张，高功率直流充电桩已成为支撑电动汽车普及的基础设施。图1右侧图表显示，在2025年，公共充电点存量新增近180万个，较上年增长超过33%。截至2025年底，公共充电点总存量已超过700万个。
　　▼图1
　　来源：IEA, global EV outlook 2026
　　如今市场上有两种新兴的电动汽车支持技术，包括电池更换和电动道路系统（ERS）。电池更换，顾名思义，就是一个通过物理方式更换电池的充电站。更换一块电池只需3到5分钟，因此效率非常高。通过利用储能系统（ESS）在白天为电池供电、夜间为电池充电，它具有很高的成本效益。然而，它也面临充电站空间问题，因为需要相当大的物理空间来存放电池。此外，由于电池尺寸、形状和连接方式存在差异，因此需要严格的标准化。
　　另一种趋势是电动道路系统（ERS）。ERS是一种在道路下方安装供电设备、在行驶过程中持续为电池充电的技术。ERS的优点是可延长续航里程，并有助于减小汽车电池尺寸。然而，其初始成本非常高，而且在道路损坏等情况下，维护也存在困难。这些新兴系统都面临着难以立即解决的实际挑战，而传统的插电式慢充和快充系统将在未来很长一段时间内继续占据主导地位。特别是，为满足希望快速充电的消费者的期望，对直流快充桩的需求将持续上升。
　　但是，快充需要高功率密度和高效率。维也纳PFC可以说是满足这些要求的选择，今天我们将对维也纳PFC作一个整体概述。
　　下图为直流快充模块的内部架构图示，电力从三相交流电网出发，经过AC-DC级，进入隔离式DC/DC变换器，为电动汽车的高压电池充电。整个过程由双数字控制单元进行精密管理，涵盖驱动级与传感等所有环节，并支持本地及云端连接。
　　▼图2
　
　　对于AC-DC转换级，ST提供了其STDES-30KWVRECT参考设计，该设计基于三相维也纳PFC拓扑。这是一种出色的拓扑结构，可限度地降低开关损耗并改善输入总谐波电流失真（iTHD）。随后，电力进入DC-DC级。在这里，我们使用了STDES-30KWLLC的参考设计，它是一种三相交错式LLC变换器。确保高效率并为电动汽车提供非常稳定电源的解决方案。
　　要真正理解维也纳PFC的价值，我们先来比较两电平和三电平PFC。对于传统的两电平PFC，如果目标是为电动汽车电池提供800V输出，那么开关在每次导通和关断时都会在0V和800V之间切换。这会给开关施加巨大的电压应力，并产生严重的开关噪声。
　　▼图3
　　　另一方面，三电平PFC在中性点两侧设置输出电容。开关动作时，电压摆幅降至总电压的一半，在+400V、0V和-400V之间切换。简单来说，就是增加了一个中间电平。这降低了开关的应力，并将开关噪声降至。
　　此外，由于施加在电感上的电压减半，因此在相同电感值下会产生更小的电感纹波电流。这对于提高功率因数（PF）和输入总谐波电流失真（iTHD）非常有效，并可直接减小所需EMI线路滤波器的尺寸。那么，这个三电平电路内部的电流究竟是如何流动的呢？我们先以交流输入为正半周的时刻为例。
　　，当开关导通时：来自交流电源的电流经过电感并流向中性点。电感储能。
　　第二，当开关关断时：通往中性点的路径被阻断，电感中储存的能量释放到负载。即便如此，电压也只会上升到总电压的一半，例如+400V。
　　当输入电流为负时，方向只需切换到下方二极管，但原理完全相同：在FET导通时，电流流向FET，电感储存能量；而在FET关断时，电流流向负载，电感释放能量。
　　构建三相三电平PFC实际上相当简单，我们只需将三个的单相电路并联即可。接下来，会来介绍一下如何配置这个开关。
　　▼图4
　　　如果我们只使用单个MOSFET来构建这个开关模块，就会遇到问题。例如，当交流输入为负且MOSFET关断时，电流必须流向负载，但电流可能会通过体二极管流动。因此，我们必须采用双向结构来配置该开关，以安全地处理正、负输入电压。
　　在图4的右侧你可以看到ST如何配置双向开关。绿色箭头表示交流输入正半周期间的电流路径，而红色箭头表示负半周期间的路径。这样一来，电流只有在MOSFET导通时才会通过MOSFET。
　　如图4所示，处理这一问题有三种常见方法。，可以使用由4个二极管和一个开关组成的桥式结构，以简化控制。或者，可以将单独的二极管与MOSFET进行组合，以分离正、负路径。，也可以采用背靠背MOSFET配置。
　　虽然元件组合方式可能不同，但所有三电平PFC都完美共享同一个原理，即通过将输出电压减半来实现开关控制。设计人员只需综合考虑系统成本、所需效率以及控制难易度，选择合适的形式即可。
　　现在，我们来仔细看看在使用背靠背MOSFET的情况下，这种Type 2维也纳整流器在一个交流周期内究竟是如何工作的。
　　当交流输入为正时。
　　在“FET导通”状态下，这是储能阶段。电流从交流电源出发，经过电感，通过S1和S2。
　　当FET关断时，这是能量释放阶段。通往M点的路径被阻断。电感中储存的能量必须释放，因此电流通过上方二极管，注入正直流母线。
　　下半部分展示了当交流输入为负时的完全相同原理。
　　当FET导通时，电流从M点反向流动，经过S2和S1的体二极管，为电感充电。
　　当FET关断时，电流通过下方二极管从直流母线流出。
　　如你所见，这种背靠背开关配置可以完美管理通往中性点的双向电流流动。
　　现在，让我们把这些理论全部付诸实践。在ST维也纳PFC解决方案的应用。
　　ST的电源与能源创新中心推出了STDES-30KWVRECT，这是一套完整的30kW维也纳整流器参考设计。
　　在图6的下半部分，有我们前面讨论过的维也纳Type 2拓扑简化版示意图，其特点是采用背靠背MOSFET。
　　该解决方案包括：
　　额定输出功率为30kW
　　开关频率为70kHz，并工作在CCM模式
　　输入为345至460Vac的线电压
　　输入电流为55A
　　输出电压为700至850 VDC
　　峰值效率超过98.7%
　　满载时PF超过0.99
　　满载时THD小于3%
　　采用STM32G474 MCU
　　该方案采用了ST的产品，包括：用于实现VOC控制和中点平衡的STM32G474 MCU；用于设计维也纳Type 2的650V SiC MOSFET和1200V SiC二极管；用于可靠驱动的ST隔离式栅极驱动器STGAP系列；以及肖特基二极管、LDO和运算放大器等。
　　现在，让我们看看这在实际板卡上是如何实现的。
　　沿着图7从左到右的功率流向来看，电力首先通过AC接口输入，并经过保险丝和EMI滤波器。
　　随后，来到标号5的PFC电感，紧接着标号6的位置为功率器件，标号7的位置为驱动板
　　在下方的第9和10部分是采样电路以及作为系统“大脑”的STM32控制板。，一个大型输出电容放置在右侧。所有器件都经过精心布局，以优化散热管理并将EMI降至。
　STDES-30KWVRECT的效率、功率因数和谐波测量结果令人印象深刻。在800伏直流输出下，输入电压为标称的230Vac相电压时，其峰值效率达到了98.7%。如果将输出调整为700伏，峰值效率还会进一步提高，达到98.81%。
　　在功率因数和输入总谐波电流失真（iTHD）测试中，从20%负载一直到满载，功率因数均高于0.99。在满载时，iTHD低于3%。
　　截至目前，我们一直讨论单向充电。但正如大家所知，市场正在迅速转向V2G，即车辆到电网技术。那么，我们如何让高效的维也纳PFC实现双向呢？ST向市场推出了15kW T型维也纳整流器，即STDES-PFCBIDIR。这款参考设计与30kW维也纳PFC在规格和关键器件上相似，不同之处在于：为了实现双向能量传输，二极管已被MOSFET替代，且额定输出功率为15kW
　　总结来说，三相维也纳PFC拓扑凭借低谐波、高效率、高功率密度和高可靠性，已成为高功率电动汽车充电桩的前端整流方案。意法半导体提供的维也纳PFC解决方案，将高性能SiC功率器件、卓越效率的STM32G474 MCU、有效提升系统稳健性和可靠性的隔离式栅极驱动器STGAP、LDO和运算放大器，与成熟的数字控制算法以及一站式设计工具相结合，解决了传统充电桩功率模块效率低、谐波污染大、开发难度高等痛点。随着电动汽车快充和V2G技术的持续升级，ST的维也纳PFC解决方案将继续助力新能源充电基础设施的高质量发展。