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2026-09-21AI 數據中心爲何轉向 800V HVDC？解析數據中心電源架構與 SiC/GaN 技術趨勢
來源:英飛凌工業半導體
隨着數據中心 AI 負載所需功率的快速增加，服務器的供電架構也隨之發展。當前每個機架包含供電單元 PSU、備用電源 BBU 及 AI 負載等，單相 PSU 的功率也逐步從 3.3kW 提升至 12kW。然而當機架功率水平超過 250kW 時，供電電源正轉向採用專用機架（即 sidecar）進行供電和備電配置，並逐步過渡到三相交流供電模式。最後，隨着機架功率水平的持續提升，數據中心預將採用基於固態變壓器（SST）的完全集中式高壓直流配電架構，從而實現整個設施的高效電力分配。
01
AI 服務器架構趨勢和 PSU 功率演變
上圖展示了服務器機架架構在第一代和第二代中的演進歷程。第一代架構採用開放計算項目（OCP）開放機架供電架構，該架構已在超大規模數據中心部署。每個供電機架通過三相輸入供電，並容納多個電源單元（PSU），每個電源單元則由單相輸入供電。機架向母線輸出直流電壓（例如50V），該母線同時連接 IT 設備單元和電池單元。當前採用 5.5kW ORv3-HPR 電源單元的架構，也可升級至 12kW 電源單元以提供更高功率。例如，配備 12kW 電源模塊的 4 個電源架可提供總計 288kW 的機架供電能力。
AI 芯片的發展趨勢要求 PSU 和機架電源進行升級。當機架電源功率超過 250kW 時，空間就成為了限制因素，同一機架內難以容納所有電源和計算組件，因此將供電組件與計算機架分離成爲必然選擇。第二代的 HVDC Sidecar，內置電源單元（PSU）、電池備份單元（BBU）及電容器組單元（CBU）。其中 PSU 功率可達 30kW，採用三相交流輸入與 HVDC 輸出。Sidecar 提供了更多的空間，可將功率擴展至 1MW，同時爲計算機架騰出更多空間以容納更強大的計算能力。
50V架構的限制：
HVDC 的優勢：
Sidecar 的 HVDC 輸出通過 busbar 連接至計算機架，這意味着需要額外的轉換階段將 HVDC 降壓至 50V，圖中所示的 Generation 2a 和 Generation 2b，分別代表 HVDC 至 50V 轉換的不同實現方案。G2a 型基於當前的 50V 服務器連接，HVDC 至 50V 的轉換通過安裝在計算機機架側面側的 DC/DC 轉換架完成。該方案利用現有 50V 服務器基礎同時，加速並簡化 HVDC Sidecar 架構的應用。隨後，G2b 方案接續實施，將 HVDC 至 50V 的轉換功能以中間母線轉換（IBC）的形式集成於服務器內，可採用模塊化設計或降壓轉換器解決方案。
Sidecar 的優勢：
以下通過具體實例，列舉每一代 PSU 和機架的實施拓撲結構及器件選擇推薦。
1.1 第一代 AI PSUs: 架構不變，功率迭代；
5.5~12kW,50V 輸出,單相 230-277 Vac 輸入
當前一代服務器的 PSU 大多遵循 ORv3-HPR 標準。該標準中，多數規格（包括輸入輸出電壓及效率指標）與前代 ORv3 3kW 的規範保持一致。但針對 AI 服務器需求進行了更新，例如更高功率與峯值功率要求（後文描述），同時因與 BBU 機架通信方式的調整，輸出電壓調節範圍也相應縮窄。
G1 架構的 PSU 由三相輸入（400-480 Vac L-L）供電，但每個電源單元的輸入仍爲單相（230-277 Vac）。第一代 PSU 中，PFC 階段通常採用交錯圖騰柱結構，高頻橋臂選用 650V CoolSiC™ MOSFET，工頻橋臂則採用 600V CoolMOS™ MOSFET。另一種方案是採用 400V CoolSiC™ MOSFET 的三電平飛跨電容圖騰柱（3-L FCTP）PFC，多電平變換器允許使用更低耐壓的開關器件，3-L FCTP PFC 因多電平拓撲的頻率倍增，可提供更高效率與功率密度優勢。
針對 400V 優化的 CoolSiC™ 技術，相較於 CoolSiC™ 650V 和 750V 器件，實現了更優的性能指標（FoM），如下圖左所示。此外，下圖右展示了器件在不同溫度下的導通電阻曲線，表明 CoolSiC™ 400V MOSFET 的 100°C 導通電阻僅比 25°C 導通電阻高出 11%。這種平坦的 R DS（開啓） 與 T j 特性曲線帶來的優勢在於：它使 CoolSiC™ MOSFET 能夠採用更高的典型導通電阻 R DS（開啓） 器件，從而實現更優的成本效益和開關性能。
DC-DC 級可採用基於 CoolSiC™ 或 CoolGaN ™器件的 LLC 拓撲（如半橋、全橋或三相 LLC），其工作電壓爲 650V；而次級全橋整流及或 Oring 則採用 80V OptiMOS™ 或 CoolGaN ™器件。三相 LLC 拓撲結構憑藉第三個半橋開關支路可實現更高功率輸出，其三大優勢在於：輸出電流紋波抵消能力，以及基於半橋間耦合效應實現電流均衡。
1.2 第二代 AI PSUs: 三相 HVDC 結構,
18~30kW， ±400/ 800V 輸出，
三相 400~480 Vac 輸入
爲進一步提升機架供電能力，第二代服務器電源將採用全新的機架架構，1）電源輸入由單相改爲三相，以提升密度並降低成本。2）電源機架輸出電壓從 50V 提升至 ±400/800V，從而降低母線電流、損耗及成本。
上圖展示了適用於三相輸入與 HVDC 輸出的第二代 PSU 拓撲示例。PFC 級常採用維也納變換器拓撲，其優勢在於橫管可承受半母線電壓，可採用 650V 背靠背 CoolSiC™ MOS；輸入二極管選用 1200V CoolSiC™ 二極管，兼具結構簡潔與成本優勢。另外還可以將輸入側二極管替換爲1200V CoolSiC™MOS，可顯著降低導通損耗從而提升效率。
LLC 級可配置爲兩個交錯（並聯）或兩個級聯（串聯）的形式。在交錯並聯中，每個 LLC 跨接於全母線電壓約 860V，原邊採用 1200V CoolSiC™MOS。在串聯中 PFC 輸出採用分裂電容，將兩個 LLC 級串聯連接，原邊使用 650V CoolGaN ™ 器件或 CoolSiC™ MOS。原邊無論採用串聯或並聯 LLC 方案，兩個 LLC 副邊均可並聯連接：
■ 400V 輸出時： 同步整流採用 650V CoolSiC™ 或 CoolGaN™ 器件，Oring 採用同規格器件。
■ 800V 輸出時： 採用 1200 V 冷 SiC™ MOSFET
在維也納型和 T 型 PFC 中，兩個背靠背的650 V CoolSiC™ MOS 可被 650V CoolGaN™ 雙向開關（BDS）替代，該器件是常閉式單芯片雙向開關，將兩個芯片的 Drain 級進行內部集成。這意味着單顆 CoolGaN™ BDS 可替代四顆分立功率開關實現同等導通電阻 R DS（開啓） ，其優勢在於以 R DS（開啓） /mm² 爲衡量標準時具備極高效的芯片面積利用率。
02
使用 SiC/GaN 器件大幅提升 AI PSU 的性能
2.1 爲什麼CoolGaN™更適合應對GPU瞬態負載？
CoolGaN™ 已經成爲 PSU 的最佳選擇，GAN 器件在更高開關頻率下能實現最高效率，從而支持更高功率密度的轉換器設計，且不會降低轉換效率。
除了 AI 電源的額定功率顯著提升外，GPU 還會產生更高的峯值功率並引發高瞬態負載功率階躍。因此，DC-DC 級輸出必須具備足夠的動態響應能力，同時電壓過沖與欠衝必須保持在規定限值內。通過使用 CoolGaN™ 器件提升開關頻率可增強 DC-DC 級輸出動態響應，從而擴大控制環路帶寬。英飛凌 8kW PSU 參考設計採用 CoolGaN™ 實現高頻 LLC 方案，即爲該原理的實證。
CoolGaN™ 器件憑藉其卓越的性能指標（FoM）以及在硅、碳化硅和氮化鎵器件中最低的開關損耗，輕鬆滿足更高開關頻率的要求。尤其在軟開關 LLC 中，CoolGaN™ 具有最低的輸出電容電荷（科斯 ），這對更輕鬆實現零電壓開關（ZVS）至關重要。由此可實現更精確的死區時間設定，從而消除不必要死區時間的導通損耗。
2.2 CoolSiC™ MOS 400V 使能更高效的三電平飛跨圖騰柱 PFC
採用 400V CoolSiC™ MOS 的三電平飛跨圖騰柱 PFC（3-L FCTP PFC）相較於 650V 和 750V CoolSiC™ 的器件，可實現更高密度與效率優勢。通過優化電感器設計（尺寸、材料和繞組）並在三電平拓撲中選擇具有較低開關損耗的 400V SiCMOS 器件，實現了平坦的效率曲線，峯值效率 >99.3%，滿載效率 >99.15%。
2.3 冷卻碳化硅 ™ MOSFETs 650V 和 1200 伏使能更高效的三相 HVDC 電源供應器
650 V SiC MOS 在 PFC 階段的背靠背開關發揮關鍵作用，1200V CoolSiC™MOS 和二極管則用於維也納/ T 型 PFC 的豎管。DC-DC 級同樣需要 650V 或 1200V SiC MOS 作爲初級側開關及次級側同步整流器，具體取決於 LLC 配置和輸出電壓。下圖展示了 CoolSiC™ MOS 在室溫與高溫環境下同步整流工作模式中，相較競品的開關損耗對比測試。英飛凌的SiC MOS 呈現開關損耗的明顯降低，有效降低三相高壓系統中 PFC 與 LLC 的損耗。
目前英飛凌第二代 1200V SiC MOSFET 包含五個封裝，有傳統的 TO263 和 TO247 封裝可選，也有創新的頂部散熱封裝（單開關和半橋拓撲）可供選擇，R DS（開啓） 範圍從 4mΩ 至 234mΩ，適合在高功率密度內實現低損耗和高效率。
結論
AI 服務器正在推動數據中心供電架構經歷過去 20 年最大的變革。從 5.5kW PSU 到 30kW PSU，從 50V 母線到 ±400V/800V HVDC，從傳統機架到 Power Sidecar，再到未來基於固態變壓器（SST）的直流微網架構，高效率、高功率密度和高可靠性正成爲核心目標。在這一過程中，基於 CoolSiC™ 和 CoolGaN™ 的寬禁帶技術以及優化的柵極驅動器 IC，將成爲下一代 AI 數據中心電源架構設計的重要基礎。
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