摘要：数据中心，尤其是那些驱动最新AI创新的设施，正在消耗越来越多的电力。据高盛最新研究显示，当前数据中心耗电量占全球总用电量的2%，而这一数字预计到2030年将攀升至10%。

数据中心，尤其是那些驱动最新AI创新的设施，正在消耗越来越多的电力。据高盛最新研究显示，当前数据中心耗电量占全球总用电量的2%，而这一数字预计到2030年将攀升至10%。

这暴露出了传统数据中心电力电子系统的短板，从向服务器集群供应交流电的配电系统，到提供直流电的稳压器，再到核心的高性能AI芯片，整个供电链条都面临挑战。数据中心的电力架构必须进行重大变革以应对AI不断增长的功率需求，而电子设计师们也将不得不解决一系列挑战。

代际差异：数据中心供电系统的演变

要了解数据中心电力供应的发展方向，了解当前电力架构的构成至关重要。图1展示了“第一代”电力架构的主要组成部分。在这种架构下，三相交流电（通常线电压为480伏）进入数据中心，并为不间断电源（UPS）供电。不间断电源为备用电池供电，并为服务器机架提供稳定的交流电压。在服务器机架内部，通过每个刀片服务器中的通用冗余电源将交流电压整流并降压至12伏。

几十年来，这种架构一直是数据中心供电的行业标准，如今很大一部分系统仍采用这种配置。在这种架构中，一个典型的服务器机架支持的功率范围为10千瓦至15千瓦。

大约十年前，整个科技行业开始推动提高数据中心效率。巨型云数据中心的兴起促使功率水平不断提高，从而催生了“第二代”架构（如图2所示）。

这个新系统与第一代有几个不同之处。首先，服务器电源的输出电压提高到了48伏，同时将电源整合到电源架中，这种电源架也被称为“开放式机架”电源。机架中还集成了本地备用电池单元。

所有这些改进使功率转换阶段的效率提高了5%，同时增加了可输送的功率量。在云计算数据中心，一个典型的机架功率为40千瓦至100多千瓦。

但是，随着耗电量巨大的人工智能芯片开始主导数据中心，第二代架构正达到其物理极限。人工智能数据中心的功率需求攀升至单个机架600千瓦至1兆瓦。如今，人工智能工作负载需要大量的计算，这就需要缩短图GPU、CPU和网络交换机之间的物理连接距离。这种配置意味着需要从信息技术机架中移出又大又笨重的电源。

这就是为什么第三代架构引入了“副机架”的概念，它基本上是一个独立的机架，通过母线连接到服务器机架（如图3所示）。

数据中心高压直流电源设计面临的挑战

既然未来数据中心的发展方向已明确，现在就可以探讨高压直流配电所面临的挑战以及一些潜在的解决方案。电源设计师和系统工程师有一长串需要自问的问题，其中有些问题业界甚至可能还未考虑到。但以下是一些需要重点关注的问题：

最佳输出电压水平是多少？+400伏、+800伏，还是±400伏？

隔离在系统中扮演什么角色？在高压输出端，隔离是绝对必要的吗？

对于副机架而言，合适的功率转换拓扑结构是什么？服务器机架的合适功率转换拓扑结构又是什么？

如果将电源从信息技术机架中移出的主要目的是提高计算密度，那为什么还必须改变电源的输出电压呢？简单来说，这与将电力从副机架传输到信息技术机架的母线有关。如果服务器机架运行人工智能训练和推理等计算量巨大的工作负载需要600千瓦的功率，在48伏的电压下传输这些功率将需要12500安的电流（未考虑任何传输损耗）。

由于所需的电流密度，母线的实际尺寸会非常大，重量接近200磅。这些母线还需要采用液冷技术，从而增加了成本和复杂性。相反，如果将配电电压提高到800伏直流电，对于一个功率为600千瓦的机架，仅需750安的电流。这样的电流水平可以采用风冷方式，并且每条母线的重量可减轻85%。

配电电压必须提高。但合适的电压水平是多少呢？+400伏、+800伏或±400伏的电压已经应用于当今的电动汽车（EV）及其相关充电基础设施中。

+400伏的电压最具意义，因为它已经广泛应用于目前的数据中心中：大多数单相交流-直流电源中的功率因数校正（PFC）在通过LLC阶段将电压降至48伏或12伏之前，输出电压为+400伏，并且电气元件也易于获取和使用。从安全角度来看，工程师对400伏电压也有深入的了解，包括设计中的爬电距离和电气间隙。但是，如果功率水平进一步提高，母线可能会成为一个问题。

+800伏的电压是母线电压的另一个可行选择，因为它可以使母线尺寸更小，配电效率更高。不过，对于相关元件来说，这是一个相对较新的生态系统。工程师将不得不解决一系列关于安全性和间距的技术问题。第三个选择是结合前两个选项，选择±400伏。其主要缺点是这种电压需要复杂的控制来确保负载平衡。

如何在高压直流电源系统中处理隔离问题

权衡考虑这三种电压选择非常重要，但有一个问题也会影响最终选择，即隔离。

隔离和绝缘可实现两个目的：一是最终用户的安全；二是使接地环路相互分离。这两点对于数据中心架构来说都极为重要。鉴于所需的功率水平，将多个较小的电源并联起来是合理的，并且要确保这些电源能够实现均流。

图4展示了几种输出电压和隔离方案的选择。第一种方案是最为直接的，它将功率因数校正（PFC）变为一个独立的电源单元（PSU）。尽管它有自身的优势，但企业是否会接受这种方案还存在不确定性。在将多个非隔离的交流-直流电源并联时，还存在均流和平衡方面的问题。与其他带有额外隔离阶段的方案相比，第一种方案具有最高的效率和最低的成本。

第二种、第三种和第四种方案在交流-直流阶段之后引入了隔离措施，以解决电流平衡问题。第三种和第四种方案使用了分裂母线来产生±400伏电压，它们的主要区别在于所需母线的数量（三条母线与两条母线的区别）。第四种方案需要一些额外的控制措施来确保±400伏电压下的负载平衡。

电源拓扑结构：平衡成本、速度、效率与隔离

另一个需要做出的决策是交流-直流整流器应采用何种拓扑结构。有许多因素会影响拓扑结构的选择，包括成本、效率、负载上的瞬态情况以及隔离等。

一种两级式的方法是设计电源系统最传统且最常用的方式，其中一级负责整流，另一级独立处理隔离问题。对于整流器而言，有许多知名的拓扑结构，例如维也纳整流器、T型逆变器或有源中性点箝位电路。

同样，隔离式直流-直流转换级，如三相LLC（谐振电感电容）电路或全桥LLC电路，可用于实现电压调节和隔离。这种方法的一大优势在于，通过在整流器和隔离式直流-直流转换级之间增加额外的电容，能够轻松应对瞬态和线路掉电事件中的能量存储问题。

另一种潜在的方法是使用单级来同时处理交流-直流整流和隔离，这也被称为矩阵变换器。图5展示了单级矩阵变换器的简化原理图。

这种类型的变换器能够通过减少传导路径中的开关数量，以及缩减开关和磁性元件的总数来提高效率，从而降低成本。不过，除了需要担忧浪涌电压外，能量存储方面也存在一些潜在的缺点。

矩阵变换器也是双向开关的完美应用，有助于进一步降低成本并提高效率。然而，要实现这种类型的设计，仍有许多问题和技术细节有待解决。

向高压直流配电的转变必然会给数据中心的电源带来许多变化。解决复杂问题并改进电源设计的机遇就在眼前。为了满足新型处理器的功率需求，未来的数据中心将依赖于当下所做出的决策。

来源：阿花说科技