为数据中心供电：需要有效的门级供电策略

作者：时间：2026-03-10 来源：

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如今的数据中心在运行大语言模型及其他计算密集型人工智能（AI）与机器学习（ML）应用时，对电力的需求正变得极为巨大。图 1 展示了 2010 年以来服务器机架功耗需求的增长趋势，并预测到 2028 年。

1. 2010年至2020年间相对稳定，机架级功率需求随后爆炸式增长。

尽管在这一时期的前十年间功耗需求相对稳定，但自 2020 年起出现了爆发式增长。因此，IT 服务器机架正在不断演进，以实现从公用电网到半导体芯片门级的高效电力传输。

机架式服务器代际演进

图 2 展示了第一代数据中心配电架构。这种方案自 1990 年代投入使用以来，将来自公用电网的三相中压电降压为线间电压 480 V 交流电。

2. 第一代供电架构包含前端不间断电源（UPS），并向每个电源单元（PSU）输送单相交流电。

该电压被施加到基于电池的不间断电源（UPS）。它可以滤除短暂的线路电压跌落，或者在出现较长时间停电的情况下，通过自动转换开关（ATS）或静态转换开关（STS）维持服务器运行，直至备用发电机投入使用。

从 UPS 输出端开始，配电单元（PDU）将电力输送至每个服务器托盘的电源单元（PSU），由 PSU 执行功率因数校正（PFC）。PSU 同时生成稳压 12 V 直流输出，供给各类稳压器（VR），包括负载点（PoL）稳压器，为服务器托盘内的处理器、内存和通信芯片提供低电压。

当机架总功率超过 10~20 kW 时，第一代方案开始力不从心。第二代架构保留了 13 kV 中压交流电网输入以及 ATS/STS 备用发电机切换开关。不过，前端 UPS 的功能由每个 IT 机架内的电池备份单元（BBU）或电容备份单元（CBU）所取代。

每个机架还包含一个 AC-DC 电源架，将 480 V 交流电转换为 50 V 直流电。母线将 50 V 直流电分配至每个 IT 托盘，再由中间母线转换器（IBC）生成 12 V 电源轨。

第二代架构最高可支持单机架约 100~200 kW。但当服务器机架达到 1 MW 功率级别时，50 V 直流母线需要承载的电流将达到 20,000 A，这一方案并不现实。因此，当前的第三代供电架构正向800 V 或 ±400 V 高压直流（HVDC）母线迁移，将母线电流需求降至更易实现的 1.25 kA。

此外，在第三代架构中，包含 AC-DC 转换器、BBU 或 CBU 的交直流电源架被移入侧挂式电源柜（Sidecar）（图 3）。每个侧挂式电源柜将高压直流电分配至每个服务器机架内的 HVDC 母线，再由母线将高压直流电输送给机架内每个服务器托盘的高转换比中间母线转换器（IBC）。

3. 第三代供电架构包含侧挂式电源柜（Sidecar），将交流电转换为高压直流电，再分配给服务器机架内的中间母线转换器（IBC）。

下一代第四代架构即将到来：侧挂式电源柜将被移至配电室，从而释放 IT 主机房的空间。此外，第四代架构将 AC-DC 转换功能集成到固态变压器中，由其实现交流降压、功率因数校正（PFC）以及电压转换，进而获得更高效率。

计算密度

当然，将电源组件移至侧挂式电源柜、再将侧挂式电源柜移至配电室，并不能消除这些组件本身占用的物理空间。德州仪器计算电源技术专家 Pradeep Shenoy 在一场视频演讲中评价道，侧挂式方案 “释放了 IT 机架内的宝贵空间，从而提升整体计算密度。” 其结果是在每个机架内密集部署更多处理器，最小化延迟，以优化大型 AI 模型的执行效率。

侧挂式电源柜内部可搭载下一代 30 kW 服务器电源单元（PSU），如图 4 所示。该设计采用三电平飞电容功率因数校正级与三角形连接的三相 LLC 级，将三相输入转换为 ±400 V 输出。

4. 这款下一代 30 kW 电源单元（PSU）置于侧挂式电源柜内，集成超过 20 颗德州仪器器件。

即便使用侧挂式电源柜，部分电源组件（如中间母线转换器 IBC）仍会保留在每个 IT 机架的 IT 托盘内部，而处理器稳压器（VR）则位于处理器板卡上。申奥伊表示，传统上这些稳压器采用横向供电（LPD）方案部署。在横向供电方案中，稳压器与处理器相邻布置，可位于板卡顶部（图 5，左上）或底部（图 5，左下），电流在 PCB 层内通过走线横向流动。