AI服务器机架重塑下一代电源架构新路径

单台服务器机架的功耗正逼近1MW大关。随着由大量GPU构成的AI服务器迎来爆发式增长，数据中心的电源设计正面临着一场根本性的变革。多年的行业标准——48V直流（48VDC）输配电方式已逐渐接近物理极限，业界正在加速向高压直流（HVDC）系统转型。本文将探讨这一转型背后的技术必然性，并阐述下一代电源架构的应用方法路径。

AI功耗爆增：

48VDC正面临物理壁垒

全球各地正在掀起新一轮数据中心建设热潮，为更大程度地提升每平方米的算力，服务器机架正朝着高密度化方向发展。其核心在于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。出处：国际能源署（IEA）

此时，若回归电学基础，问题的本质便清晰可见。根据功率（W）= 电压（V）× 电流（A）的关系式，要在48V电压下供应1MW的电力，需要大约20,000A的电流，而供应10MW则需要高达约200,000A的惊人电流。

当大电流流过时，线路（母排）中的功率损耗（I²R损耗）是需要解决的问题。由于该损耗与电流的平方成正比，因此电流越大，损耗增长越急剧。假设机架内母排的有效电阻约为0.33mΩ，仅供电1MW就会有约130kW——超过所供应电力的10%——以母排发热的形式被损耗掉。而当规模达到10MW时，可以计算出损耗率将超过50%。

若要抑制这种损耗，就需要使用超粗的汇流条，而这会消耗大量铜材。无论从成本、重量还是环境负荷来看，这都称不上是一个可持续的解决方案。

解决方案就在欧姆定律中：

提高电压即可降低电流

减少电流的方法其实很简单——那就是提高电压。在功率保持不变的情况下，电压越高则电流越小。当在800V电压下供应1MW的电力时，所需电流将骤降至1,250A。由于母排损耗与电流的平方成正比，因此，从48V升至800V可使功率损耗降至原来的约1/278。

在这种情况下，目前业界已浮现出两种HVDC架构作为主要候选方案。

+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：Open Compute Project）所主导。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，但所采用的半导体和电路结构不同。对于设计工程师而言，必须在理解这些差异的基础上对系统进行优化。

HVDC改变电源电路：

SiC和GaN所发挥的作用

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，转换效率即使微幅提升，都具有举足轻重的意义。仅需将1MW机架的转换效率提升2%〜3%，便可节电20kW〜30kW——这相当于一栋中型办公楼的整体耗电量。

提高效率的关键在于采用了SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）的下一代功率半导体。与以往的Si功率器件相比，这些宽带隙半导体的开关速度更快，损耗更低。

图2：ROHM是业内屈指可数的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

ROHM已经完成了针对800VDC和±400VDC等HVDC电源的、经过功率优化的电路和系统的仿真。具体的实际应用示例如下：

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用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谐振转换器相结合的方案效果非常好。在维也纳整流电路中，SiC肖特基势垒二极管（SCS240KE2）起到升压二极管的作用，而SiC功率MOSFET（SCT4013系列／SCZ4008DTB）则发挥中间点开关的功能。后级的LLC谐振转换器也同样采用SiC MOSFET，整体可实现约99%的高转换效率。

服务器机架用的PSU（800VDC→50VDC）：高功率密度是设计的关键

要将所需部件集成在服务器机架有限的空间内，就需要高功率密度设计。可以考虑采用以下两种方法：

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。这两种配置方法均可保持约99%的转换效率。

总结：向HVDC的转型已非可选项，而是必然趋势

然而，仅仅提升电压是不够的。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，这些缺一不可。对于同时拥有功率半导体和模拟控制技术的ROHM而言，这正是其优势所在。

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