AI服务器机架引领下一代电源架构新路径

这个话题正引起行业内的广泛关注。单台服务器机架的功耗正在逼近一个关键里程碑——1兆瓦（MW）。很多人会好奇，这背后的推动力究竟是什么？核心原因在于：由大量GPU构成的AI服务器迎来了爆发式增长，从而推动数据中心的电源设计经历一场根本性的变革。

沿用多年的行业标准——48V直流（48VDC）输配电方式，如今已逐渐触及物理性能的上限。业界正加速向高压直流（HVDC）系统转型。本文旨在深入解析这一转型背后的技术必然性，并梳理下一代电源架构的实际应用路径。

AI功耗激增：48VDC面临物理瓶颈

全球数据中心建设热潮持续升温。为了在每平方米空间内集成更强的算力，服务器机架走向高密度化已成必然趋势，而核心驱动因素正是AI处理中不可或缺的GPU。

图1：预计到2030年，全球AI服务器的耗电量将超过800TWh，接近1000TWh。数据来源：国际能源署（IEA）

回顾最基本的物理公式——功率（W）= 电压（V）× 电流（A）——便能一目了然。在48V电压下供应1MW电力，大约需要20,000A的电流；若要支撑10MW，电流更是高达约200,000A，这已是相当惊人的数字。

当大电流流过母排时，功率损耗（I²R损耗）成为必须正视的问题。该损耗与电流的平方成正比，电流越大，损耗增长越剧烈。假设机架内母排的有效电阻约为0.33mΩ，仅供电1MW就会产生约130kW的损耗——超过所供应电力的一成——以母排发热的形式白白浪费。而当功率规模达到10MW时，损耗率将超过50%。

为了抑制这种损耗，需要使用超粗的汇流条，这必然消耗大量铜材。无论从成本、重量还是环境负荷的角度来看，这都并非可持续的解决方案。

解决方案源于欧姆定律：提升电压即可降低电流

减少电流的方法其实很直接——提高电压。在功率不变的情况下，电压越高，电流自然越小。在800V电压下供应1MW电力，所需电流可骤降至1,250A。母排损耗与电流的平方成正比，从48V提升到800V，功率损耗将降至原来的约1/278。

目前业界已浮现两种主要的HVDC架构候选方案。

• +800VDC方式：由NVIDIA主导推进，并已初步构建起以该公司为核心的广泛生态系统。
• ±400VDC方式：由Meta（原Facebook）创立的开放计算项目（OCP）主导。Meta和Google等公司目前已在开发相应的电源系统。

两种方式均属于“高压直流（HVDC）”范畴，但采用的半导体和电路结构有所不同。对于设计工程师而言，必须理解这些差异，并在此基础上进行系统优化。

HVDC改变电源电路：SiC与GaN的关键作用

一旦电压架构发生变化，电源电路的设计也将从根本上发生改变。在HVDC系统中，转换效率哪怕仅提升一点点，都至关重要。仅需将1MW机架的转换效率提升2%~3%，就能节省20kW~30kW电力——这相当于一栋中型办公楼的整体耗电量。

提高效率的核心在于采用SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）等下一代功率半导体。相比传统的Si功率器件，这些宽带隙半导体的开关速度更快，损耗更低。

图2：ROHM是业内少数能够全面提供各种功率半导体（Si功率MOSFET、IGBT、SiC功率MOSFET、GaN HEMT等）以及驱动和控制这些产品的模拟IC的制造商之一

实现示例：适用于800VDC的电源单元电路结构

以ROHM的现有方案为例，他们已完成了针对800VDC和±400VDC等HVDC电源的、经过功率优化的电路与系统仿真。实际应用示例如下：

图3：ROHM提供的支持800VDC和±400VDC的电源系统解决方案。可根据应用需求选择Si功率MOSFET、SiC功率MOSFET及GaN HEMT

图4：适用于800VDC电源侧机架及服务器机架的ROHM电源单元（PSU）示例。电源侧机架用PSU由维也纳整流电路和隔离型三相LLC谐振转换器构成。服务器机架用PSU则由隔离型三相LLC谐振转换器构成。主要特点在于高转换效率和小型化

电源侧机架用PSU（20kW~30kW）：实现约99%的转换效率

在将三相交流电（230V~430V）转换为800V直流电的应用中，维也纳整流器与隔离型三相LLC谐振转换器相结合，效果相当理想。维也纳整流电路中，SiC肖特基势垒二极管（SCS240KE2）作为升压二极管，SiC功率MOSFET（SCT4013系列/SCZ4008DTB）则发挥中间点开关的功能。后级的LLC谐振转换器同样采用SiC MOSFET，整体可实现约99%的高转换效率。

服务器机架用PSU（800VDC→50VDC）：高功率密度是设计关键

将所需部件集成在服务器机架有限的空间内，高功率密度设计成为必须攻克的关键挑战。以下两种路径可供参考：

• ① 隔离型三相LLC谐振转换器：一次侧采用SiC MOSFET（SCT4018系列），二次侧采用Si功率MOSFET（RS7N200BH）。通过100kHz开关频率，实现7.8W/cc的功率密度。
• ② 串联连接型LLC谐振转换器：将800VDC一分为二，串联连接隔离型三相LLC谐振转换器。一次侧采用GaN HEMT（GNP2025TD），并将开关频率提升至500kHz，可将功率密度翻倍至15W/cc。

这两种配置方式均能保持约99%的转换效率。

总结：向HVDC转型已非可选项，而是必然趋势

不过，仅提升电压还不够。还需要电路整体优化——选择合适的拓扑结构、充分利用SiC和GaN等新一代半导体以及控制它们的模拟技术，并确保稳定的元器件供应，这些要素缺一不可。对于同时拥有功率半导体和模拟控制技术的厂商而言，这正是核心优势所在。

而对于致力于下一代数据中心电源设计的工程师来说，HVDC与宽禁带半导体的结合，正逐步成为不可或缺的设计知识储备。

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