1   AI數據中心供電系統需求背景

AI數據中心作為數字時代的核心基礎設施，承擔著海量數據的存儲、處理和傳輸任務，而供電系統是其穩定運行的“生命線”。隨著云計算、大數據、人工智能等技術的快速發展，數據中心規模不斷擴大，算力需求持續攀升，對電力的依賴程度也日益加深。在一些超大型數據中心，電力需求動輒幾十兆瓦乃至上百兆瓦，相當于一個小型城鎮的用電量。根據《能源與人工智能（AI）報告》顯示，2024 年，數據中心占全球電力消耗（415 太瓦時）的1.5% 左右，預計這一數字將呈指數級增長。預計到2030 年，全球數據中心的電力需求將增加一倍以上，達到約945 太瓦時，相當于全球總用電量的近3%，略高于日本目前的用電量。

一方面，數據中心需要持續、穩定的電力供應，一旦斷電，可能導致數據丟失、業務中斷，造成巨大損失；另一方面，為了應對高負載需求，供電系統還需具備高效、節能的特點，以降低運營成本和能源消耗，符合綠色低碳的發展趨勢。

本文將從AI數據中心供電系統現狀和未來趨勢兩方面為各位看官揭開其神秘的面紗。

2 AI數據中心供電系統現狀

2.1 AC-DC部分

當前數據中心供電系統AC部分主流的的拓撲由UPS＋PSU組成，UPS為備份電源，PSU為服務器電源，完整的工作流程如下：市電經高壓配電站降壓后流向低壓配電站，同時這部分往往會有柴油發電機作為備份，再由低壓配電站流經UPS（不間斷電源）系統并維持220V/380VAC配電，之后經配電單元與PSU（機柜電源模塊）輸出48V/12VDC到服務器端，12VDC以下的負載端供電部分見我司另一篇微信文章《Sunlord破解AI服務器供電難題！揭秘高效、小型化電感黑科技》。

其中UPS由整流、逆變和靜態開關三部分組成，正常情況下市電直連靜態開關為PSU供電，同時通過整流器為備用電池充電；當市電出現故障時，則備用電池中儲存的電能通過逆變器逆變為PSU提供短時間供電，以確保數據不會丟失，主路再次接管供電。

PSU部分先經EMI濾波，再經PFC電路功率因數校正，通過移相全橋拓撲或LLC拓撲實現降壓轉化輸出給負載，負載一般輸出48V/12VDC。 PSU和UPS部分的磁性器件產品Sunlord都可以配合定制，并且已有配合多家數據中心電源客戶的成功案例。

2.2 DC-DC部分

因服務器功率的增加，傳統的DC12V母線系統已經達到瓶頸，若電壓不變，則其損耗將越來越大。因此DC48V總線系統橫空出世，電流變為原來的1/4，則損耗為原來的1/16，但是DC48V系統還需要進一步轉換成DC12V電壓才能給主板供電，對此行業內出現了幾種主流方案的應用：

（1）LLC拓撲：采用將變壓器初次級設計在PCB板上，再扣上磁芯的方式形成平面變壓器，通過匝比實現降壓功能。Sunlord擁有專業且強大的材料研發團隊，實現高性能材料研發，能為客戶提供定制化磁芯。

（2）ZSC諧振拓撲：通過開關和電容配合實現高電壓到低電壓的轉換，其中需要電感與電容諧振來實現軟開關降低損耗，Sunlord可以提供與電容諧振的電感產品。

（3）多相Buck拓撲：通過多路Buck電感進行降壓功能，業內采用耦合電感居多，Sunlord可以提供這類產品。耦合電感優勢為：可以使用更小感值、縮小尺寸、減少所需的濾波電容、大大提升瞬態響應。

3 AI數據中心供電系統新型架構

3.1 AC-DC部分

當前數據中心供電系統需要經過多次AC-DC-ACDC，每個環節都伴隨著損耗，因此其效率會有所下降，且隨著AI 算力需求的激增，所需的電力越來越多，單個系統所浪費的能量若乘以整個數據中心，這將會是一份可怕的電力資源浪費。因此，業內的專家們推陳出新提出了新型的HVDC架構，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行大容量、長距離電力傳輸的技術。顧名思義，相較于前述的UPS+PSU 輸出DC48V/12 V 給服務器主板，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 逆變和整流的環節，大大提升了電力傳輸的轉化效率。

隨著服務器機柜功率越來越大，母線電壓也在逐漸上升以降低損耗，并且從電網到高壓直流輸出之間的轉換環節也在不斷減少，據英偉達在GTC 2025大會描述，如果1 MW的機柜若采用DC48V母線架構，則至少需要多達200 千克銅材，而若采用DC800V 的架構，則使用的銅材將減少45%。因此業內出現了如下兩種方案實現高壓直流母線：巴拿馬電源和SST 固態變壓器，從電網直接轉換輸出高壓直流。

巴拿馬電源

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

SST變壓器

隨著電力電子技術和半導體的發展，固態變壓器（Solid-state Transformer, SST）的應用發展日趨成熟。除了基本的電氣隔離和電壓轉換的功能，固態變壓器還可以實現無功補償、功率調節與控制以及多端口接入等功能，功率范圍從30 KW-60KW至1MW及以上。

SST可以實現從電網10 KVAC直接一步到位轉換為480VAC 電壓， 再通過PSU升壓為高達800V/±400VDC的直流母線電壓給到IT計算機柜單元，其占用的體積進一步減小，損耗進一步降低，實現更高的轉化效率。

從上述架構圖可以看出，未來隨著單個機柜的功率不斷上升甚至達到1MW的情況下，業內提出了Sidecar邊柜的解決方案，通俗來講就是將供電電源系統Power Rack與IT Rack分離開，通過Power Rack輸出電壓集中供電，此方案可以進一步提升機柜的最大功率，提升輸出母線電壓。

3.2 DC-DC部分

采用HVDC 拓撲架構后輸出母線電壓出現了240VDC、336VDC、400VDC，甚至800VDC，則在這些高壓直流和48V/12VDC 之間還需要一個直流降壓轉換的模塊，業內目前較為普遍的是多個扣磁芯的LLC的平面變壓器級聯的拓撲，如下以DC400V—DC50V為例：

頂部和底部各2個LLC模塊，共4 個LLC平面變壓器，4路級聯，單路100V，其優勢為：①便于繞組設計和實現；②有利于散熱；③可以互為備份；④可以靈活設計為其他負載供電。

4 AI數據中心供電系統架構總括

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

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固態變壓器一部到位，輸出800VDC；備份電源BBU（電池）在故障時提供臨時電力，CBU（超級電容）實現調峰平滑波動，提升電網穩定性；還會有風能、光伏等綠色能源，輸出800 VDC 接入，實現直流微電網；并且未來機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 機架實現集中供電。

（本文來源于《EEPW》202510）