從48V到800V：數據中心高壓直流電源的嚴峻挑戰

數據中心（特別是那些推動 AI 最新創新的數據中心）正在消耗越來越多的電力。高盛 （Goldman Sachs） 目前的研究表明，數據中心消耗了當今全球 2% 的電力，預計到 2030 年，這一數字將增加到 10%。

這暴露了數據中心傳統電力電子設備的缺點，從為服務器柱提供交流電的配電系統，到提供直流電源的穩壓器，再到作為這一切核心的高性能 AI 芯片。數據中心的電源架構必須進行重大變革，以應對 AI 不斷增長的電源需求，反過來，電子設計人員將不得不解決許多挑戰。

代溝：數據中心供電的演變

要了解數據中心電源的發展方向，現在了解電源架構的構建非常重要。圖 1 顯示了您可以稱為“第一代”電源架構的主要構建塊。在這種情況下，三相交流電（通常為 480 V 線對線電壓）進入數據中心并為不間斷電源 （UPS） 供電。UPS 支持備用電池，并有助于為服務器機架提供穩定的交流電壓。在服務器機架內部，使用每個服務器刀片中的通用冗余電源將交流電壓整流并降至 12 V。

1. 數據中心第一代 Power Architecture。

幾十年來，這種架構一直是數據中心供電的行業標準，如今的大部分系統仍然采用這種配置。這種架構中的典型服務器機架將支持 10 到 15 kW 的功率。

大約十年前，整個技術行業開始推動提高數據中心的效率。巨大的云數據中心的興起有助于提高功率水平，這導致了“第二代”架構的出現（圖 2）。

2. 升級到 48 V 總線的第二代電源架構與 12V 相比，總電流降低了 4 倍，功率損耗降低了 16 倍。

這個新系統與第一代有幾個不同。服務器電源的輸出電壓增加到 48 V，同時將電源整合到電源架中，也稱為“開放式機架”電源。機架中還集成了本地備用電池單元。

所有這些改進都使功率轉換級的效率提高了 5%，同時增加了可交付的功率。在云計算數據中心中，典型的機架將具有 40 kW 到超過 100 kW 的功率。

但是，隨著耗電的 AI 芯片開始在數據中心占據主導地位，第二代架構正在達到其物理極限。AI 數據中心的單個機架功率需求攀升至 600 kW 至 1 MW。如今，AI 工作負載需要大量的計算，這需要縮短圖形處理單元 （GPU）、中央處理器 （CPU） 和網絡交換機之間的物理連接距離。這種配置意味著大而笨重的電源需要從 IT 機架中移出。

這就是為什么第三代架構引入了 sidecar 的概念，它基本上是一個單獨的機架，僅用于通過母線連接連接到服務器機架的電源（圖 3）。

3. 隨著 AI 處理器突破當今數據中心的功率極限，科技公司正在將 AC-DC 電源重新安置到單獨的電源機架或 sidecar 中。

數據中心高壓直流電源的設計挑戰

現在我們已經回顧了未來數據中心的發展方向，我們可以討論高壓直流配電的挑戰和一些潛在的解決方案。電源設計人員和系統工程師需要問自己一長串問題，其中一些我們甚至可能還沒有考慮過。但這里有幾個需要關注：

• 最佳輸出電壓電平是多少？+400 V、+800 V、±400 V？

• 隔離在系統中的作用是什么？高壓輸出是否絕對必要？

• 適合 sidecar 的電源轉換拓撲有哪些？那么在服務器機架中呢？

如果將電源移出 IT 機架的主要動機是提高計算密度，為什么必須更改電源的輸出電壓呢？簡單的答案與將電力從 sidecar 輸送到 IT 機架的母線有關。如果服務器機架需要 600 kW 的功率來運行計算密集型工作負載，例如 AI 訓練和推理，則需要 12500 A 的電流（不考慮任何傳輸損耗）才能在 48 V 下提供該功率。

由于所需的電流密度，該母線排的物理尺寸將非常大，重量接近 200 磅。這些母線排還需要液體冷卻，從而增加了成本和復雜性。相反，如果將配電電壓提高到 800 V DC，則 600 kW 機架只需要 750 A 的電流。該電流水平將允許空氣冷卻，并將每個母線排的重量減輕 85%。

配電電壓必須增加 — 這一點很清楚。但是什么是正確的電壓電平？+400V、+800V 或 ±400V 電壓電平已用于當今的電動汽車 （EV） 和相關充電基礎設施。

+400 V 電壓非常有意義，因為它已經在當今的數據中心中得到廣泛應用：大多數單相 AC-DC 電源中的功率因數校正 （PFC） 級在 LLC 級將其降壓至 48 V 或 12 V 之前輸出 +400 V，并且電氣元件隨時可用。工程師還從安全角度對 400 V 以及設計中的爬電距離和間隙間距有深入的了解。但是，如果功率水平增加得更多，母線可能會成為一個問題。

+800 V 電平是總線電壓的另一個可行選項，因為它將允許更小的母線和更高的配電效率。不過，這是一個相對較新的組件生態系統。工程師將不得不解決一系列有關安全性和間距的技術問題。第三個選項是將前兩個選項組合在一起，然后選擇 ±400 V。它的主要缺點是該電壓需要復雜的控制以確保負載平衡。

隔離：如何在高壓直流電源系統中處理

考慮所有三個電壓選項很重要，但另一個問題會影響您的選擇：隔離。

隔離和絕緣有兩個目的：一個是確保最終用戶的安全，另一個是保持接地回路分離。這兩者都對于數據中心架構非常重要。由于所需的功率水平，最好并聯多個較小的電源，確保這些電源共享電流。

圖 4 說明了輸出電壓和隔離方案的幾個選項。第一種選擇是最直接的選擇，因為它涉及將 PFC 級變成單獨的電源單元 （PSU）。盡管它有優勢，但公司是否會接受它仍然存在不確定性。當并聯多個非隔離式 AC-DC 電源時，還存在電流共享和平衡問題。與具有額外隔離級的其他選項相比，第一個選項提供最高效率和最低成本。

4. 顯示了高壓直流電源架構中的不同隔離方法。

第二個、第三個和第四個選項在 AC-DC 級之后引入隔離，以解決電流平衡問題。第三種和第四種選擇使用分離式軌產生 ±400 V，主要區別在于所需的母線數量（3 對 2）。第四個選項需要一些額外的控制，以確保 ±400 V 上的負載平衡。

電源拓撲：平衡成本、速度、效率和隔離

另一個決定涉及 AC-DC 整流器使用什么拓撲。許多因素都會驅動拓撲的選擇，包括成本、效率、負載瞬態和隔離。

兩級方法，其中一級處理整流器，另一級管理隔離，是設計電源系統最傳統和最流行的方法。整流器有許多眾所周知的拓撲結構，例如 Vienna 整流器、T 型逆變器或有源中性點鉗位。

同樣，隔離式 DC-DC 級（例如三相 LLC 或全橋 LLC）可用于實現穩壓和隔離。這種方法的一大優點是，通過在整流器和隔離式 DC-DC 級之間增加額外的電容，能夠輕松處理瞬態和線路壓降事件的能量存儲。

另一種可能的方法是使用單級來處理 AC-DC 整流和隔離。這也稱為矩陣轉換器。圖 5 顯示了單級矩陣轉換器的簡化原理圖。

德州儀器 （TI）5. 用于單級絕緣 AC-DC 電源的矩陣轉換器內部。

這種類型的轉換器可以通過減少導通路徑中的開關數量以及縮小開關和磁性元件的總數來提高效率，從而降低成本。不過，除了對浪涌電壓的擔憂外，在儲能方面還出現了一些潛在的缺點。

矩陣轉換器也是雙向開關的完美應用，有助于降低成本并進一步提高效率。盡管如此，要實現這種類型的設計，必須解決許多問題和技術細節。

向高壓直流配電的轉變必將給數據中心電源帶來許多變化。解決復雜問題和改進電源的機會正在發生。為了滿足新處理器的電源需求，未來的數據中心將依賴于今天做出的決策。