数据中心高压直流配电技术

发布时间：2025/12/10 14:46:16　访问62次

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  引言

  随着人工智能和云计算需求持续增长，数据中心正在经历根本性变化，电力分配系统也在发生深刻转变。微软在2025年OCP亚太峰会上的技术分享揭示了高压直流配电如何从传统交流系统转变，在能效和运行能力方面带来显著改善。

  
  

  
  

   

  传统交流电力分配系统分析

  传统数据中心电力基础设施遵循一套成熟的路径，已为行业服务数十年。电力从中压交流电源开始传输，通常电压为13.8千伏，在到达IT设备之前需要经过多个转换阶段。系统首先通过变压器降压，然后通过不间断电源系统进行交流到直流再到交流的转换以提供备用电源能力。自动转换开关和断路器提供保护和切换功能，而交流母线槽和配电线缆将电力直接输送到服务器机架。

  
  

   

  图1：传统"昨天"和"今天"交流电压分配架构，展示从MVAC变压器通过UPS系统到交流母线槽分配的完整电力传输链。

  
  

  然而，这种传统方法带来了显著的能源损耗。当检查完整的电力传输链时，每个转换阶段都会发生大量损失。中压到低压交流转换通常产生2%的损耗，而UPS从480VAC到直流再回到480VAC的转换会造成额外的4-6%损耗。保护系统和到IT机架的交流分配贡献另外2%的损耗，使得在电力到达服务器设备之前，总基础设施损耗达到8-10%。

  
  

   

  图2：传统交流分配系统中电力损耗的详细分解，突出显示各转换阶段累积的8-10%损耗。

  
  

  当考虑IT设备内的最终转换阶段时，低效率变得更加明显。服务器电源单元必须将进入的480VAC转换为现代处理器和组件所需的50VDC，增加另外2-3%的损耗。这使得系统总损耗达到10-13%，对数据中心整体效率造成显著影响。

  
  

   

  图3：完整的电力分配效果显示传统基于交流的数据中心基础设施总系统损耗为10-13%。

  
  

  当前一代直流解决方案

  认识到这些低效率问题，行业已开始实施中间解决方案，部分解决转换损耗。当前一代系统以微软的Diablo 400项目为例，在机架级引入直流分配，同时保持大部分现有交流基础设施。这些系统继续使用传统变压器和UPS系统，但引入直流转换单元，输出正负400VDC或800VDC用于机架级分配。

  
  

   

  图4：当今的混合方法显示Diablo 400系统在机架级将480VAC转换为±400VDC或800VDC，结合DC/DC转换器进行最终电压调节。

  
  

  虽然这种方法代表进步，但整体系统效率提升有限。基础设施仍需要相同的变压器和UPS转换阶段，保持传统交流系统8-10%损耗的特征。机架级直流分配增加了2-3%的转换损耗，而到50VDC的最终DC/DC转换贡献另外2%的损耗。结果是总系统损耗为12-16%，由于额外的转换阶段，实际上比纯交流系统略有增加。

  直流分配架构的未来发展

  数据中心电力分配最有发展潜力的进展在于从基础设施级实施高压直流。这种先进方法被称为"明天"解决方案，通过消除多个转换阶段及其相关损耗，从根本上重构电力在数据中心的流动方式。

  
  

  

  
  

  图5："明天"的直流电压分配架构，采用固态变压器、直流保护系统和直接高压直流输送到机架。

  
  

  这个先进系统的基础是固态变压器技术，直接将中压交流转换为中压直流，通常电压超过800VDC。这个单一转换阶段取代了传统变压器和UPS系统，大幅减少所需的电力转换次数。固态变压器直接在单元内集成储能能力，提供传统上由独立UPS系统处理的备用电源功能。

  直流保护和断路器系统确保整个中压直流分配网络的安全运行，而专用直流母线槽和配线将高压直流电力直接输送到IT机架。这种架构完全消除了对本地交流分配的需求，创造了更精简高效的电力传输路径。

  
  

   

  图6：未来直流分配系统中的损耗分解，显示通过消除多个转换阶段显著降低到5-6%的总基础设施损耗。

  
  

  这种方法的效率提升非常显著。固态变压器从中压交流到高压直流的转换仅产生3-4%的损耗，而直流保护和分配系统贡献大约2%的额外损耗。这使得总基础设施损耗降至5-6%，与当前系统相比是显著改善。

  当包括IT机架内的最终DC/DC转换时，将高压直流降压到处理器所需的50VDC，总系统损耗范围为7-10%。这代表与当前一代系统相比，效率改善达3-6个百分点。

  
  

   

  图7：完整的未来直流分配系统显示总损耗为7-10%，与当前基于交流的架构相比实现显著效率提升。

  
  

  储能集成与技术创新

  当前和未来的直流分配系统都需要仔细考虑储能，以提供备用电源和运行灵活性。当前一代系统继续依赖传统的集中式UPS架构，辅以直接集成到服务器机架中的机架级电池备用单元或电容器备用单元。

  
  

  

  
  

  图8：当前和未来直流分配系统中储能方法的比较，强调固态变压器内的集成存储选项和行级部署策略。

  
  

  未来的直流系统提供更复杂的储能集成选项。储能可以直接嵌入固态变压器内，创建高度集成的电力和备用系统。此外，行级电池或电容器备用单元提供模块化冗余和削峰能力，允许整个数据中心更灵活高效的能源管理。

  行业继续寻求超越当前实践的创新解决方案，认识到AI和高性能计算工作负载的急剧增长需要更高效和更强能力的电力基础设施。Mt. Diablo电力机架代表了这样的创新之一，提供专为扩展超过500千瓦而设计的800VDC分解电力架构，同时在不同计算平台间提供通用性。

  
  

   

  图9：Mt. Diablo电力机架创新展示了为AI工作负载设计的800VDC分解电力架构，扩展超过500kW，由微软、Meta和谷歌协作开发。

  
  

  这种主要技术公司之间的协作努力表明，行业广泛认识到传统电力分配方法无法满足未来需求。向高压直流分配的转变不仅仅是渐进式改进，而是对数据中心电力基础设施的根本重新构想，将支持下一代计算工作负载，同时显著改善能源效率和运行能力。