数据中心800V直流架构及电源拓扑

发布时间：2026/1/27 18:05:31　访问88次

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  导言: 2025年10月的OCP全球峰会期间，英伟达发布《800VDC Architecture for Next-Generation AI Infrastructure》白皮书。面对数据中心电力需求呈指数级增长，能耗降低迫切性以及绿色环保要求等背景，英伟达试图通过高电压800V直流架构，消除冗余电能转换，减少铜材用量，降低成本。本文描述了800VDC架构的必要性，以及800V旁置电源中，交流直流转换单元和IT机架配置中直流直流转换的拓扑。

  
  

   

   

  AI硬件的指数级增长对数据中心电源基础设施提出了前所未有的需求。随着机架功耗从数千瓦，数百千瓦攀升至兆瓦级，传统48VDC配电架构正逐渐逼近物理极限和经济极限；同时，传统架构中GPU功耗的上升导致流过电源线的电流增大，进而造成更高的传输损耗和热量产生；为应对这些挑战，行业正转向更高电压的直流配电方案，其中800VDC架构已经成为领先解决方案。

  1 AI现有配电架构及其局限

  1.1 AI服务器应用中功率需求增长

  AI硬件的快速发展显著提升了数据中心内的功耗和功率密度。短短几年内，AI GPU的功率续期从100W飙升至1000W以上，推动机架需求从20-30kW增至100kW以上，预计近期可达到500kW。在此情况下，传统供电方式正逐渐接近其物理和运行极限。

  1.2 减少转换阶段以提升效率

  传统多阶段转换系统存在大量能量损耗，使得高效功率传输的实现难度日益增加；更高电压的直流配电提供了一种变革性解决方案，通过减少转换步骤，800VDC 架构可提高整体系统效率、减少元器件数量并降低运行风险。

  1.3 整合可再生能源

  满足下一代数据中心的能源需求还需要更多地利用太阳能和风能等可再生能源，800VDC 电网为可再生能源直接接入配电系统提供了理想框架，同时提升可持续性和功率传输效率。

  1.4 高密度AI服务器机架

  现代数据中心并非简单增加服务器机架数量，而是趋向于高密度化 —— 在每个机架内集成更多 CPU、GPU 和功能板卡。这种方式能显著提高每机架的计算能力，在有限物理空间内实现性能最大化。

  2 800V架构必要性

  2.1 传统架构局限性

   

  当机架功率需求超过100kW时，传统低压配电系统（如48V或者12V）会因为以下原因难以满足AI和高性能计算工作负载需求：

  过度功率损耗：低压传输大功率需要极大电流，导致严重的电阻损耗，从而造成能源浪费和热量增加；

  物理限制：大电流要求使用粗大笨重的铜缆，这些电缆占用宝贵的机架空间，阻碍气流，并大幅度增加材料和技术设施成本；

  可扩展限制：传统架构在支持现代AI服务器机架（通常超过100kW）的极端功率密度方面，已达到物理和实际应用的极限。

  2.2 旁置机架与电源单元

  为了克服传统架构的局限性，数据中心行业正转向更高效的功率传输模式，比如采用旁置机架配置的方式，其优势如下：

  提升机架密度：将电源供应单元（PSUs）从主服务器机架移至专用旁置机架，为IT设备和先进冷却系统腾出宝贵空间；

  提高效率与简化结构：旁置模式以更高电压（如800VDC）传输功率，降低电流要求，简化功率分配并提升效率。

  2.3 800VDC 架构优势

  800VDC架构是专为下一代AI基础设施设计的革命性方案，其核心优势包括：

  极致效率：在数据中心入口处将13.8V交流电网电力直接转换为800VDC，省去中间转换阶段，使整体功率效率提升；

   

  减少铜用量：电压翻倍可以使得传输相同功率所需的电流减半，从而能够使用更细的电缆，铜使用量减少，降低成本的同时减轻电缆重量和体积，提升冷却效率。

  3 800VDC电源拓扑概述

  3.1 交流直流转换旁置电源

  如下图所示，在800VDC架构中，交流直流转换阶段从服务器机架移动至专用电源机架，这一转变使得系统能够采用比传统系统更高效的拓扑结构。

  现有交流直流转换器的功率范围通常为20kW至33kW，预计输出功率将进一步提升。对于800VDC系统，其交流直流拓扑结果通常采用3相维也纳（PFC）与三相隔离式LLC转换器相结合，如下图所示。维也纳整流器将三相400V交流转化为800V交流，随后LLC转换器输出电气隔离的800VDC，此阶段的核心要求是实现高效率。

  整流器采用三电平结构，与传统两电平PWM整流器相比，开关器件承受的电压仅为一半，从而降低开关损耗，并可使用低导通电阻，低电压等级的元器件以提升效率。此外，三电平工作模式是电感器两端的电压变化更小，减少纹波电流和噪声。

  维也纳整流器中使用的二极管需要具备1200V额定电压和优异的恢复特性，因此SiC肖特基势垒二极管（SBD）是理想选择，与硅快恢复二极管（Si FRD）不同，SiC SBD为单极器件，不积累少数截流子，可消除恢复损耗，如下图所示。

  双向开关通常采用额定电压为650V及以上的背靠背器件，这种配置会使导通电阻翻倍，因此低导通电阻和快速开关特性至关重要。三相LLC转换器利用谐振工作模式最大限度减少MOSFET导通时的开关损耗，实现高效功率转换。

  3.2 IT机架配置

  为将分配至服务器机架的800VDC母线电压降至下游供电电压，需配置隔离式直流直流转换器单元。由于该单元部署在机架内部，提升功率密度（定位为单位体积输出功率）是其关键设计指标；可以采用三相LLC转换器拓扑结构来实现所需功率密度，如下图所示。

  在上述方案中，原边采用了1200V SiC MOSFET, 其低开关损耗支持更高开关频率，从而缩小无源元器件尺寸，提升整体功率密度。实际应用中，原边也可以采用GaN器件的级联三相LLC拓扑结构，通过GaN技术实现更高效率，进一步缩小变压器及周边元器件尺寸；同时级联结构还能使原边和变压器的电流减半，进一步提升效率，如下图所示。

  4 总结

  AI 硬件算力暴涨推动数据中心机架功率从数十千瓦飙升至兆瓦级，传统 48VDC 等低压配电架构因损耗大、铜缆笨重、扩展性不足濒临极限。800VDC 架构成为解决方案，通过减少转换阶段、降低传输电流，实现效率提升与成本优化，还适配可再生能源接入；其采用旁置电源机架，以三相维也纳整流器 + LLC 转换器实现高效 AC-DC 转换，搭配 SiC/GaN 器件降低损耗；IT 机架内通过隔离式 DC-DC 转换器降压，以高功率密度拓扑满足高密度算力需求，是下一代 AI 数据中心的核心配电方案。