AI机柜迈向MW级 800V直流供电如何降低电流负担
- 陈俞萍／台北
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AI服务器的运算能力持续提升，机柜用电量也跟着增加，但机柜空间并未等比例扩大。如何在有限空间内输送更多电力，同时降低转换损耗与散热负担，成为数据中心电源设计的重要课题。
意法半导体（STMicroelectronics；ST）设有电源与能源技术创新中心，由周光祖（Eric Chou）担任负责人。ST技术数据显示，当机柜功率从数十千瓦提高到数百千瓦，甚至朝MW（megawatt；百万瓦）级发展，既有的低压配电架构将在电流、铜材用量与空间上面临限制。
ST技术数据整理的NVIDIA机柜电力路线图显示，供电架构将分阶段演进：2024年起的设计以机柜内单相交流电源供应器为主，单柜功率低500 kW；2026年起转向三相输入的高压直流电源侧柜，对应约500 kW 以上的机柜；2028年以后，目标是结合多种能源的混合微电网，支持超过1 MW的单柜功率。NVIDIA也在2025年公布 800V 直流供电规划，预计自2027年起随Kyber机柜系统导入，支持单柜1 MW以上的电力需求。
数据中心整体用电量也快速增加。国际能源总署（IEA）于2025年4月发布的《Energy and AI》报告指出，2024年全球数据中心用电量约为415 TWh；基准情境预估至2030年将增至约945 TWh，超过2024年的两倍。这项统计涵盖所有数据中心，不仅限于AI设施。
SiC与GaN提高功率密度 电源设计仍须整体考量
机柜功率提高后，电源供应器必须在有限空间内处理更大的电力负载。碳化矽（SiC）与氮化镓（GaN）等宽能隙半导体，因而成为改善电源转换效率与功率密度的重要技术选项。
传统矽功率元件技术成熟、成本具竞争力；但当切换频率与功率密度提高，切换损耗、元件体积及散热需求就更难兼顾。ST的技术数据指出，SiC与GaN可用于多种电源转换拓朴，让设计者在效率、切换频率与电路体积之间有更多选择。
在连续导通模式（CCM）的图腾柱功率因数修正（PFC）设计中，ST指出须采用SiC或GaN；三阶拓朴则可使用这类元件实现双向转换。ST的技术数据也比较了不同切换频率：部分三阶设计可由一般低于20 kHz 的频率提高至48 kHz以上；部分GaN电路的切换频率则可超过1 MHz。
提高切换频率有助于缩小变压器、电感等磁性元件，但控制时序、电磁干扰及散热设计也会更具挑战。因此，改用SiC或GaN并不代表效率就会自动提升，还必须同步考量闸极驱动、控制演算法、电路配置与磁性元件设计。
ST的技术数据显示，部分电源转换级效率可达99%以上，这是单一转换级的表现，不等于整套供电系统的效率。
50V配电遇上电流瓶颈 800V开始受到重视
目前常见的AI服务器供电架构，是先透过交流电源供应器将电力转换为约50V或54V直流，再经机柜汇流排送至服务器内部，逐级降至12V等中间电压，最后转换为GPU所需的核心电压。
这套供电方式已相当成熟，但机柜功率提高后，低压配电所需承载的电流也会大幅增加，连带提高导体截面、铜材用量及散热需求。
以250 kW机柜为例，在不计入转换损耗的简化估算下，50V汇流排需要承载约5,000A电流；若改采800V配电，电流约为313A。降低电流有助于缩小导体尺寸、减少铜材用量及传输损耗。
ST技术数据以250 kW作为50V与800V架构比较的参考点：低于此功率，既有50V架构仍有使用空间；机柜功率进一步提高后，800V在导体尺寸、功率密度及传输效率上的优势就更值得评估。
NVIDIA公开的技术文章指出，54V配电在单柜功率超过约200 kW后，会面临空间与铜材需求的限制。依NVIDIA的比较，相较于415V交流配电，800V直流可让相同尺寸的导体多传送约85%的功率，铜材用量约减少45%。
数据中心供电不会一次全部改成800V。过渡期间，可先由三相交流电源侧柜产生800V直流，再于机柜内降至50V，让服务器沿用既有的后段供电设计。往后则可依服务器需求，将800V转换至不同的中间汇流排电压，减少部分转换环节。
更长期的规划，是透过固态变压器（Solid-State Transformer；SST），将中压交流电转为800V直流，直接供应数据中心内的IT机柜。不过，提高配电电压也意味着绝缘距离、连接器、故障保护、直流电弧处理及维修安全都必须重新评估。800V牵动的是整条供电路径，而非单纯更换机柜汇流排。
从5.5 kW电源供应器到12 kW高压转换板
在电源供应器设计上，ST依Open Rack v3（ORv3）规格提出3 kW、5.5 kW、8 kW与12 kW等级的AC-DC电源设计，功率密度分别约为40、48、62与85 W/in³。
ST公布的5.5 kW电源设计，前级采用双通道交错式图腾柱PFC，后级则为三相LLC谐振转换器，搭配ST的矽与SiC MOSFET、隔离式闸极驱动器，以及两颗STM32G4微控制器。电路另采用GaN辅助电源转换器VIPerGaN65D，以及电能计量芯片STPM32。
根据ST的测试结果，这款5.5 kW电源在277 Vac输入条件下，峰值效率为97.8%，约出现在30%负载；满载效率则为96.7%。混合模式PFC控制演算法、宽能隙功率元件及GaN辅助电源设计，都是降低损耗的设计环节。
ST也提出服务器常用的M-CRPS电源设计。其中一款采用SiC与GaN的4.5 kW、54V输出方案，功率密度为136 W/in³，效率高于96.5%。
针对800V直流机柜，ST于2025年10月公布12 kW GaN电源转换板已完成满载测试。这款转换板将800V直流降至约50V；依ST新闻稿，可连续输出12 kW，效率高于98%，功率密度超过2,600 W/in³。
ST技术数据另列出更详细的参数：采用16:1非稳压转换架构，输入范围为800V ± 100V，输出约为43.75～56.25V，标示功率为12 kW TDP、21.6 kW EDP。设计将800V 输入分成两组400V，分别经矩阵变压器转换后并联输出；一次侧与二次侧均采用GaN元件，切换频率为1 MHz。电路板约为124 × 60 mm，不含散热片的高度不超过10 mm。
ST于2026年3月公布与NVIDIA合作开发的800V转12V与800V转6V电源架构。800V转12V的6 kW LLC转换器，切换频率为850 kHz，峰值效率为97.5%；800V转6V的20 kW八阶堆叠式LLC转换器，切换频率为650 kHz，峰值效率为96.5%。这些设计旨在减少中间转换环节；实际采用哪种架构，视机柜密度、GPU配置与散热方式而定。
ST估算园区配电可节省约4%用电
当数据中心功率朝GW等级发展，供电改善也会从服务器电源延伸到整个园区。传统交流架构从中压电网进入，依序经过变压器、自动切换开关（ATS）、不断电系统（UPS）、配电单元（PDU）、服务器电源与核心电压转换等环节，ST依各级效率估算整体效率约为89%。
高压直流架构则由中压交流电网经SST转为800V直流，再供应IT机柜，ST估算整体效率约为93%。依89%与93%的效率估算，在相同IT负载下，输入电力约可减少4%，与ST所列的节电估算相近。
高压直流架构也能与电池储能、太阳能、风力、燃气或小型核能等在地能源搭配，让不同电力来源接入园区供电系统。
固态变压器是其中一项关键设备。ST技术数据列出的中压SST设计范例，单一模块功率约为40～70 kW，输出电压为800V；一套接入约13.8 kV交流电网的SST约需30个模块，采输入串联、输出并联（SIPO）架构。
然而，固态变压器要导入大型数据中心，仍须解决中压绝缘、故障保护、模块串并联控制、长期可靠度与维修成本等问题，并经过完整的工程验证。
SiC与GaN让电源能做到更高的功率密度，但系统能否受益，要看配电电压、转换拓朴、能源管理与散热设计能否同步规划。当机柜功率朝数百千瓦、甚至1 MW迈进，供电架构也将直接影响数据中心可部署的运算资源。
