AI數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)需求背景

AI數(shù)據(jù)中心作為數(shù)字時(shí)代的核心基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和傳輸任務(wù)，而供電系統(tǒng)是其穩(wěn)定運(yùn)行的“生命線”。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大，算力需求持續(xù)攀升，對電力的依賴程度也日益加深。在一些超大型數(shù)據(jù)中心，電力需求動(dòng)輒幾十兆瓦乃至上百兆瓦，相當(dāng)于一個(gè)小型城鎮(zhèn)的用電量。根據(jù)《能源與人工智能（AI）報(bào)告》顯示，2024年，數(shù)據(jù)中心占全球電力消耗（415太瓦時(shí)）的1.5%左右，預(yù)計(jì)這一數(shù)字將呈指數(shù)級增長。預(yù)計(jì)到2030年，全球數(shù)據(jù)中心的電力需求將增加一倍以上，達(dá)到約945太瓦時(shí)，相當(dāng)于全球總用電量的近3%，略高于日本目前的用電量。

一方面，數(shù)據(jù)中心需要持續(xù)、穩(wěn)定的電力供應(yīng)，一旦斷電，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、業(yè)務(wù)中斷，造成巨大損失；另一方面，為了應(yīng)對高負(fù)載需求，供電系統(tǒng)還需具備高效、節(jié)能的特點(diǎn)，以降低運(yùn)營成本和能源消耗，符合綠色低碳的發(fā)展趨勢。

本文將從AI數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)現(xiàn)狀和未來趨勢兩方面為各位看官揭開其神秘的面紗。

AI數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.AC-DC部分

當(dāng)前數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)AC部分主流的的拓?fù)溆蒛PS＋PSU組成，UPS為備份電源，PSU為服務(wù)器電源，完整的工作流程如下：市電經(jīng)高壓配電站降壓后流向低壓配電站，同時(shí)這部分往往會(huì)有柴油發(fā)電機(jī)作為備份，再由低壓配電站流經(jīng)UPS（不間斷電源）系統(tǒng)并維持220V/380VAC配電，之后經(jīng)配電單元與PSU（機(jī)柜電源模塊）輸出48V/12VDC到服務(wù)器端，12VDC以下的負(fù)載端供電部分見我司另一篇微信文章《Sunlord破解AI服務(wù)器供電難題!揭秘高效、小型化電感黑科技》。

其中UPS由整流、逆變和靜態(tài)開關(guān)三部分組成，正常情況下市電直連靜態(tài)開關(guān)為PSU供電，同時(shí)通過整流器為備用電池充電；當(dāng)市電出現(xiàn)故障時(shí)，則備用電池中儲(chǔ)存的電能通過逆變器逆變?yōu)镻SU提供短時(shí)間供電，以確保數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，主路再次接管供電。

PSU部分先經(jīng)EMI濾波，再經(jīng)PFC電路功率因數(shù)校正，通過移相全橋拓?fù)浠騆LC拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)化輸出給負(fù)載，負(fù)載一般輸出48V/12VDC。 PSU和UPS部分的磁性器件產(chǎn)品Sunlord都可以配合定制，并且已有配合多家數(shù)據(jù)中心電源客戶的成功案例。

圖片來源于順絡(luò)

2.DC-DC部分

因服務(wù)器功率的增加，傳統(tǒng)的DC12V母線系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到瓶頸，若電壓不變，則其損耗將越來越大。因此DC48V總線系統(tǒng)橫空出世，電流變?yōu)樵瓉淼?/4，則損耗為原來的1/16，但是DC48V系統(tǒng)還需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成DC12V電壓才能給主板供電，對此行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了幾種主流方案的應(yīng)用：

（1）LLC拓?fù)?采用將變壓器初次級設(shè)計(jì)在PCB板上，再扣上磁芯的方式形成平面變壓器，通過匝比實(shí)現(xiàn)降壓功能。Sunlord擁有專業(yè)且強(qiáng)大的材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)高性能材料研發(fā)，能為客戶提供定制化磁芯。

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（2）ZSC諧振拓?fù)洌和ㄟ^開關(guān)和電容配合實(shí)現(xiàn)高電壓到低電壓的轉(zhuǎn)換，其中需要電感與電容諧振來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)降低損耗，Sunlord可以提供與電容諧振的電感產(chǎn)品。

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（3）多相Buck拓?fù)洌和ㄟ^多路Buck電感進(jìn)行降壓功能，業(yè)內(nèi)采用耦合電感居多，Sunlord可以提供這類產(chǎn)品。耦合電感優(yōu)勢為：可以使用更小感值、縮小尺寸、減少所需的濾波電容、大大提升瞬態(tài)響應(yīng)。

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AI數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)新型架構(gòu)

1.AC-DC部分

當(dāng)前數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)需要經(jīng)過多次AC-DC-AC-DC，每個(gè)環(huán)節(jié)都伴隨著損耗，因此其效率會(huì)有所下降，且隨著AI算力需求的激增，所需的電力越來越多，單個(gè)系統(tǒng)所浪費(fèi)的能量若乘以整個(gè)數(shù)據(jù)中心，這將會(huì)是一份可怕的電力資源浪費(fèi)。因此，業(yè)內(nèi)的專家們推陳出新提出了新型的HVDC架構(gòu)，即高壓直流輸電，以此來降低損耗。

HVDC（High-Voltage Direct Current）是一種利用直流電進(jìn)行大容量、長距離電力傳輸?shù)募夹g(shù)。顧名思義，相較于前述的UPS+PSU輸出DC48V/12V給服務(wù)器主板，HVDC可以輸出更高等級的直流母線電壓如DC240V，再通過DC-DC的電源模塊將DC240V電壓降壓為DC48V，且將傳統(tǒng)UPS的鉛蓄電池替換成鋰電池BBU，并取消了UPS逆變和整流的環(huán)節(jié)，大大提升了電力傳輸?shù)霓D(zhuǎn)化效率。

圖片來源于順絡(luò)

隨著服務(wù)器機(jī)柜功率越來越大，母線電壓也在逐漸上升以降低損耗，并且從電網(wǎng)到高壓直流輸出之間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)也在不斷減少，據(jù)英偉達(dá)在GTC 2025大會(huì)描述，如果1MW的機(jī)柜若采用DC48V母線架構(gòu)，則至少需要多達(dá)200千克銅材，而若采用DC800V的架構(gòu)，則使用的銅材將減少45%。因此業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了如下兩種方案實(shí)現(xiàn)高壓直流母線：巴拿馬電源和SST固態(tài)變壓器，從電網(wǎng)直接轉(zhuǎn)換輸出高壓直流。

巴拿馬電源

巴拿馬電源是一種將交流10kV直接轉(zhuǎn)換為直流240V/336V的一體化供電系統(tǒng)，其名稱靈感來源于巴拿馬運(yùn)河“縮短航程”的理念，旨在通過優(yōu)化供電鏈路減少能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提升整體效率，其主要優(yōu)勢在于：將10kVAC中壓配電、移相變壓器、整流模塊、直流輸出等環(huán)節(jié)集成于一體，省去傳統(tǒng)低壓配電和冗余設(shè)備，大大降低占用體積，提升轉(zhuǎn)換效率。

圖片來源于順絡(luò)

SST變壓器

隨著電力電子技術(shù)和半導(dǎo)體的發(fā)展，固態(tài)變壓器（Solid-state Transformer,SST）的應(yīng)用發(fā)展日趨成熟。除了基本的電氣隔離和電壓轉(zhuǎn)換的功能，固態(tài)變壓器還可以實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償、功率調(diào)節(jié)與控制以及多端口接入等功能，功率范圍從30KW-60KW至1MW及以上。

SST可以實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)10KVAC直接一步到位轉(zhuǎn)換為480VAC電壓，再通過PSU升壓為高達(dá)800V/±400VDC的直流母線電壓給到IT計(jì)算機(jī)柜單元，其占用的體積進(jìn)一步減小，損耗進(jìn)一步降低，實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)化效率。

圖片來源于順絡(luò)

從上述架構(gòu)圖可以看出，未來隨著單個(gè)機(jī)柜的功率不斷上升甚至達(dá)到1MW的情況下，業(yè)內(nèi)提出了Sidecar邊柜的解決方案，通俗來講就是將供電電源系統(tǒng)Power Rack與IT Rack分離開，通過Power Rack輸出電壓集中供電，此方案可以進(jìn)一步提升機(jī)柜的最大功率，提升輸出母線電壓。

2.DC-DC部分

采用HVDC拓?fù)浼軜?gòu)后輸出母線電壓出現(xiàn)了240VDC、336VDC、400VDC，甚至800VDC，則在這些高壓直流和48V/12VDC之間還需要一個(gè)直流降壓轉(zhuǎn)換的模塊，業(yè)內(nèi)目前較為普遍的是多個(gè)扣磁芯的LLC的平面變壓器級聯(lián)的拓?fù)?，如下以DC400V—DC50V為例：

圖片來源于順絡(luò)

頂部和底部各2個(gè)LLC模塊，共4個(gè)LLC平面變壓器，4路級聯(lián)，單路100V，其優(yōu)勢為：①便于繞組設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；②有利于散熱；③可以互為備份；④可以靈活設(shè)計(jì)為其他負(fù)載供電。

AI數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)架構(gòu)總括

如下圖所示，為未來HVDC 800V的供電方案框圖，將會(huì)采用多種轉(zhuǎn)換形式并存的架構(gòu)：

圖片來源于順絡(luò)

其中一路由市電10KVAC輸入通過變電站降壓至480V/380VAC，再通過整流升壓輸出800VDC；

另一路由市電10KVAC通過SST固態(tài)變壓器一部到位，輸出800VDC；

備份電源BBU（電池）在故障時(shí)提供臨時(shí)電力，CBU（超級電容）實(shí)現(xiàn)調(diào)峰平滑波動(dòng)，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性；

還會(huì)有風(fēng)能、光伏等綠色能源，輸出800VDC接入，實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)；

并且未來機(jī)房供電的趨勢是將電源柜和IT柜分離開，通過匯流排連接相鄰 IT 機(jī)架實(shí)現(xiàn)集中供電。

前文所述的所有架構(gòu)方案中的磁性器件，Sunlord都已經(jīng)或正在與客戶配合類似產(chǎn)品，歡迎大家前來交流咨詢相關(guān)產(chǎn)品，共同為算力未來添磚加瓦。