从48V到800V：数据中心高压直流电源的严峻挑战

数据中心（特别是那些推动 AI 最新创新的数据中心）正在消耗越来越多的电力。高盛 （Goldman Sachs） 目前的研究表明，数据中心消耗了当今全球 2% 的电力，预计到 2030 年，这一数字将增加到 10%。

这暴露了数据中心传统电力电子设备的缺点，从为服务器柱提供交流电的配电系统，到提供直流电源的稳压器，再到作为这一切核心的高性能 AI 芯片。数据中心的电源架构必须进行重大变革，以应对 AI 不断增长的电源需求，反过来，电子设计人员将不得不解决许多挑战。

代沟：数据中心供电的演变

要了解数据中心电源的发展方向，现在了解电源架构的构建非常重要。图 1 显示了您可以称为“第一代”电源架构的主要构建块。在这种情况下，三相交流电（通常为 480 V 线对线电压）进入数据中心并为不间断电源 （UPS） 供电。UPS 支持备用电池，并有助于为服务器机架提供稳定的交流电压。在服务器机架内部，使用每个服务器刀片中的通用冗余电源将交流电压整流并降至 12 V。

1. 数据中心第一代 Power Architecture。

几十年来，这种架构一直是数据中心供电的行业标准，如今的大部分系统仍然采用这种配置。这种架构中的典型服务器机架将支持 10 到 15 kW 的功率。

大约十年前，整个技术行业开始推动提高数据中心的效率。巨大的云数据中心的兴起有助于提高功率水平，这导致了“第二代”架构的出现（图 2）。

2. 升级到 48 V 总线的第二代电源架构与 12V 相比，总电流降低了 4 倍，功率损耗降低了 16 倍。

这个新系统与第一代有几个不同。服务器电源的输出电压增加到 48 V，同时将电源整合到电源架中，也称为“开放式机架”电源。机架中还集成了本地备用电池单元。

所有这些改进都使功率转换级的效率提高了 5%，同时增加了可交付的功率。在云计算数据中心中，典型的机架将具有 40 kW 到超过 100 kW 的功率。

但是，随着耗电的 AI 芯片开始在数据中心占据主导地位，第二代架构正在达到其物理极限。AI 数据中心的单个机架功率需求攀升至 600 kW 至 1 MW。如今，AI 工作负载需要大量的计算，这需要缩短图形处理单元 （GPU）、中央处理器 （CPU） 和网络交换机之间的物理连接距离。这种配置意味着大而笨重的电源需要从 IT 机架中移出。

这就是为什么第三代架构引入了 sidecar 的概念，它基本上是一个单独的机架，仅用于通过母线连接连接到服务器机架的电源（图 3）。

3. 随着 AI 处理器突破当今数据中心的功率极限，科技公司正在将 AC-DC 电源重新安置到单独的电源机架或 sidecar 中。

数据中心高压直流电源的设计挑战

现在我们已经回顾了未来数据中心的发展方向，我们可以讨论高压直流配电的挑战和一些潜在的解决方案。电源设计人员和系统工程师需要问自己一长串问题，其中一些我们甚至可能还没有考虑过。但这里有几个需要关注：

• 最佳输出电压电平是多少？+400 V、+800 V、±400 V？

• 隔离在系统中的作用是什么？高压输出是否绝对必要？

• 适合 sidecar 的电源转换拓扑有哪些？那么在服务器机架中呢？

如果将电源移出 IT 机架的主要动机是提高计算密度，为什么必须更改电源的输出电压呢？简单的答案与将电力从 sidecar 输送到 IT 机架的母线有关。如果服务器机架需要 600 kW 的功率来运行计算密集型工作负载，例如 AI 训练和推理，则需要 12500 A 的电流（不考虑任何传输损耗）才能在 48 V 下提供该功率。

由于所需的电流密度，该母线排的物理尺寸将非常大，重量接近 200 磅。这些母线排还需要液体冷却，从而增加了成本和复杂性。相反，如果将配电电压提高到 800 V DC，则 600 kW 机架只需要 750 A 的电流。该电流水平将允许空气冷却，并将每个母线排的重量减轻 85%。

配电电压必须增加 — 这一点很清楚。但是什么是正确的电压电平？+400V、+800V 或 ±400V 电压电平已用于当今的电动汽车 （EV） 和相关充电基础设施。

+400 V 电压非常有意义，因为它已经在当今的数据中心中得到广泛应用：大多数单相 AC-DC 电源中的功率因数校正 （PFC） 级在 LLC 级将其降压至 48 V 或 12 V 之前输出 +400 V，并且电气元件随时可用。工程师还从安全角度对 400 V 以及设计中的爬电距离和间隙间距有深入的了解。但是，如果功率水平增加得更多，母线可能会成为一个问题。

+800 V 电平是总线电压的另一个可行选项，因为它将允许更小的母线和更高的配电效率。不过，这是一个相对较新的组件生态系统。工程师将不得不解决一系列有关安全性和间距的技术问题。第三个选项是将前两个选项组合在一起，然后选择 ±400 V。它的主要缺点是该电压需要复杂的控制以确保负载平衡。

隔离：如何在高压直流电源系统中处理

考虑所有三个电压选项很重要，但另一个问题会影响您的选择：隔离。

隔离和绝缘有两个目的：一个是确保最终用户的安全，另一个是保持接地回路分离。这两者都对于数据中心架构非常重要。由于所需的功率水平，最好并联多个较小的电源，确保这些电源共享电流。

图 4 说明了输出电压和隔离方案的几个选项。第一种选择是最直接的选择，因为它涉及将 PFC 级变成单独的电源单元 （PSU）。尽管它有优势，但公司是否会接受它仍然存在不确定性。当并联多个非隔离式 AC-DC 电源时，还存在电流共享和平衡问题。与具有额外隔离级的其他选项相比，第一个选项提供最高效率和最低成本。

4. 显示了高压直流电源架构中的不同隔离方法。

第二个、第三个和第四个选项在 AC-DC 级之后引入隔离，以解决电流平衡问题。第三种和第四种选择使用分离式轨产生 ±400 V，主要区别在于所需的母线数量（3 对 2）。第四个选项需要一些额外的控制，以确保 ±400 V 上的负载平衡。

电源拓扑：平衡成本、速度、效率和隔离

另一个决定涉及 AC-DC 整流器使用什么拓扑。许多因素都会驱动拓扑的选择，包括成本、效率、负载瞬态和隔离。

两级方法，其中一级处理整流器，另一级管理隔离，是设计电源系统最传统和最流行的方法。整流器有许多众所周知的拓扑结构，例如 Vienna 整流器、T 型逆变器或有源中性点钳位。

同样，隔离式 DC-DC 级（例如三相 LLC 或全桥 LLC）可用于实现稳压和隔离。这种方法的一大优点是，通过在整流器和隔离式 DC-DC 级之间增加额外的电容，能够轻松处理瞬态和线路压降事件的能量存储。

另一种可能的方法是使用单级来处理 AC-DC 整流和隔离。这也称为矩阵转换器。图 5 显示了单级矩阵转换器的简化原理图。

德州仪器 （TI）5. 用于单级绝缘 AC-DC 电源的矩阵转换器内部。

这种类型的转换器可以通过减少导通路径中的开关数量以及缩小开关和磁性元件的总数来提高效率，从而降低成本。不过，除了对浪涌电压的担忧外，在储能方面还出现了一些潜在的缺点。

矩阵转换器也是双向开关的完美应用，有助于降低成本并进一步提高效率。尽管如此，要实现这种类型的设计，必须解决许多问题和技术细节。

向高压直流配电的转变必将给数据中心电源带来许多变化。解决复杂问题和改进电源的机会正在发生。为了满足新处理器的电源需求，未来的数据中心将依赖于今天做出的决策。