800V AI服务器机柜的DC/DC电源架构

随着AI算力的爆发，数据中心功耗正呈指数级攀升。图1显示：2022年单颗处理器功耗约0.4kW，单机柜不足60kW；到2023年处理器已突破1kW，机柜接近100kW；2024年后处理器功耗将超2kW，机柜功耗超过150kW。而在2027至2030年间，处理器可能达到2–4kW，单机柜则逼近600kW至1MW。

图1. AI数据中心处理器功耗及单机柜功耗的演变趋势

这一趋势意味着AI服务器机柜的功率密度正快速逼近兆瓦级别，传统基于单相交流输入PSU和48V直流母线的供电架构面临前所未有的挑战。新一代高压直流架构与DC/DC变换器拓扑的探索，正在成为支撑未来AI数据中心的关键方向。

随着功耗的持续攀升，供电架构的演进路径逐渐清晰，可分为三个阶段：

1. 现阶段（<250kW/机柜，分布式UPS + 48V母线）

当前架构以交流供电为主：10–34.5kV中压交流经工频变压器降至380V三相低压交流进入机房，再经配电与断路器进入机柜，由PSU完成AC/DC转换至48V母线，并挂载分布式电池备份单元保障不间断供电。主板上通过IBC降至12V，最终由VRM调节至处理器核心电压0.8V。

图2. 基于分布式UPS + 48V母线的机柜供电架构

2. 近期未来（约500kW/机柜，高压直流边柜架构）

随着机柜功率密度提升，PSU逐步移出IT机柜，转而采用三相高压直流边柜系统。电源侧机柜集成三相PSU与BBU，向IT机柜提供±400V或800V直流母线，再经DC/DC转换至各级电压。这一架构显著提升供电效率与功率密度。

图3. 基于800V高压直流边柜的机柜供电架构

3. 2030年（1MW/机柜，固态变压器驱动的混合直流微电网）

在兆瓦级功耗下，供电架构将演进为混合直流微电网。固态变压器（SST）取代传统工频变压器与边柜，实现电能一次转换并提升功率密度；结合固态断路器（SSCB），构建基于高压直流母线的微电网，实现源网荷储的多端口直流耦合。IT机柜直接运行在800V或更高电压，再逐级转换至48V、12V及核心电压0.8V，为未来超高功率密度的数据中心提供可扩展解决方案。

图4. 基于固态变压器驱动的混合直流微电网供电架构

总结

从交流到高压直流，再到混合直流微电网，这三种架构勾勒出数据中心供电的演进路径，凸显了行业为应对AI时代兆瓦级功耗所做的前瞻性布局。随着AI大模型与智算中心规模化部署，800V高压直流（HVDC）正从“可选项”转变为“必选项”，成为下一代AI基础设施供电的核心技术方向。

进一步聚焦于机柜内部从800V输入到0.8V核心电压的多级DC/DC变换路径，可能有三种不同的供电架构方案：

1. 基于800V → 50V HV-IBC 的架构

图5. 基于800V → 50V HV-IBC 的架构

通过高压IBC（LLC 16:1）将800V降至50V，再经低压IBC（HSC 8:1）转换，降至不受控的6V左右电压，最终由VR模块输出至GPU核心。

优势：能够复用成熟的48V生态，6V 左右的低压VRM设计更具可扩展性，有助于提升VRM功率密度。

劣势：整体为三级转换，链路较长，效率损耗相对更高。

2. 基于800V → 12V HV-IBC 的架构

图6. 基于800V → 12V HV-IBC 的架构

直接通过高压IBC（LLC 64:1）将800V降至12V，再由VR模块输出至GPU核心。

优势：两级转换，路径更短，架构简洁。

劣势：VRM受限于12V输入，功率密度以及电流密度受限，可能导致的从IBC到VRM的供电网络（PDN）瓶颈。

3. 基于 48V 单级 VRM 的架构

图7. 基于 48V 单级 VRM 的架构

采用高压IBC（LLC 16:1）与 48V 单级 VRM组合，由VR模块输出至GPU核心。

优势：形成准两级架构，缩短功率传输路径。

劣势：靠近GPU的单级VRM功率密度较低。

总结

随着 AI 智算中心单柜功耗逼近兆瓦级，如何实现高效、低损耗且具备良好可扩展性的 DC/DC 变换架构，已成为业界关注的核心挑战与技术创新方向。当前主流的三类 800 V 高压直流供电架构各具优势与局限。由前述分析可知，“基于 800 V → 50 V 的 HV‑IBC 架构”与“基于 800 V → 12 V 的 HV‑IBC 架构”在 VRM 端均呈现 12 V/6 V 的输入电压；而“基于 48 V 单级 VRM 的架构”则直接以约 48 V 作为 VRM 输入电压。基于这一差异，我们将三类供电架构归纳为两大类：一类为 基于 12 V/6 V VRM 的架构，另一类为 基于 48 V VRM 的架构。

1. 12 V / 6 V VRM —— 多相Buck变换器

在“基于 800 V → 50 V 的 HV‑IBC 架构”与“基于 800 V → 12 V 的 HV‑IBC 架构”中，最终送到 VRM 端的母线电压大致为 12 V 或 6 V，其输出电压则为1 V左右。多相 Buck 变换器十分适合这一电压转换需求。另一方面，数据中心VRM 的大输出电流对封装、磁集成、散热等性能提出了极高要求。

图8. 水平供电结构

在传统的 12V VRM 设计中，主板上的供电路径以“水平走线”为主，电流需要经过较长的 PDN（Power Delivery Network）才能抵达终端负载。随着 AI 芯片电流飙升至数百甚至上千安培时，PDN 的寄生电阻与寄生电感开始成为性能瓶颈——瞬态响应受限：电流路径长，寄生参数大，难以支撑高速负载变化；效率难以提升：PDN 损耗大，占比不断上升。

图9. 垂直供电结构

为了突破水平供电的瓶颈，业界开始转向 垂直供电（Vertical Power Delivery）。其核心思想是：让电流从 VRM 模块“垂直”进入芯片，而不是在主板上“横着走”。从而缩短PDN，让 VRM 更靠近负载，同时提高转换效率和功率密度。

图10. 电感散热&芯片集成的封装方案

除了功率流动的方向之外，功率模块的封装方式与结构设计，也直接影响着 VRM 的效率、散热能力以及可扩展性。VRM 正在从传统的平面式封装，走向更紧凑、更高密度的三维结构。

2. 48V 中间母线变换器

在面向数据中心的 48 V 供电架构中，中间母线变换器（Intermediate Bus Converter，IBC）是连接高压母线与低压负载的关键环节。它承担约48 V到12V /6V的电压变换。

图11. 混合开关电容变换器

混合开关电容变换器(Hybrid Switched Capacitor，HSC) 结合了开关电容变换器和LLC变换器的优点，同时实现了开关器件的零电压开通和近似零电流关断。相比LLC变换器，HSC变换器降低了同步整流管和绕组的损耗，还提升了电压变比。其输入、输出电压关系为：

Infineon设计的 1.3 kW 基于HSC变换器的模块如下图所示，其尺寸为42 × 18 × 7.7 mm，变压器变比为 8:1。

（a）

（b）

图12. Infineon  1.3 kW  HSC模块：（a）模块实物照片，（b）HSC与LLC的绕组损耗对比

由于HSC的软开关性能，其损耗并非主要来自开关器件，而是集中在磁件与 PCB 上。损耗饼图如下所示，可见磁性元件的总损耗超过了50%。

（a）

（b）

图13. 损耗分析：（a）实验样机，（b）损耗饼图

图14展示了HSC在死区时间内的等效电路图，可见开关器件结电容的电荷对变换器的输出阻抗有直接影响，从而影响变换器运行效率。

图14. HSC在死区时间内的等效电路图

由输出阻抗 Rout 的表达式可知，Rout 与死区时间 tdt 成正相关，死区越长，阻抗越高。

因此，在HSC 拓扑中引入 GaN 器件，是提升效率与功率密度的关键一步。GaN 器件凭借更低的栅极电荷与更快的开关速度，能显著降低 Rout。

图15展示了用GaN器件替换Si器件的HSC样机照片，可见使用 GaN 器件的版本将 TOP FET 数量从 8 个减少到 4 个，减少了一半。

图15. 用GaN器件替换Si器件的HSC样机

图16. 使用GaN器件和Si器件的HSC样机效率对比

图16展示了使用GaN器件和Si器件的HSC样机效率对比，可知使用GaN器件的样机峰值效率略高。在 1 kW 满载时，GaN 与 Si 的效率几乎一致（差值仅 0.15%）。

3. 高压中间母线变换器

在 800V 高压直流母线架构中，HV‑IBC（High‑Voltage Isolated Bus Converter）是从机柜母线到中压母线的关键环节。

下图展示了Infineon的 800V to 50V LLC DCX 拓扑结构和样机照片。该样机可实现1.6 W/mm²功率密度。

（a）

（b）

图17. Infineon 800V to 50V LLC DCX：（a） 拓扑结构，（b）样机照片

下图展示了Infineon的 800V to 12V LLC DCX 拓扑结构和样机照片。该样机可实现1.2 W/mm²功率密度。

（a）

（b）

图18. Infineon 800V to 12V LLC DCX：（a） 拓扑结构，（b）样机照片

在介绍完基于 12V/6V VRM 的供电架构后，我们将视角切换到另一条正在快速发展的技术路线——基于 48V VRM 的供电架构。相比传统的 12V/6V VRM，这类架构以更高的母线电压、更少的供电级数、更高转换效率和更高的功率密度为目标，正在成为下一代 AI 服务器电源系统的重要方向。

倍流整流拓扑为 48 V 数据中心供电架构提供了一条兼具高降压比、高电流能力与结构简洁性的有效路径。其电路拓扑如图19所示。

图19. 倍流整流变换器拓扑

倍流整流拓扑的输出电感可以集成于变压器中，也就是用变压器的励磁电感充作其输出电感，从而极大程度降低磁性元件体积，提升功率密度。

更进一步，Infineon提出将倍流整流拓扑与零偏TLVR相结合的拓扑方案，拓扑结构如下如图所示。

图20. 与零偏TLVR相结合的半桥倍流整流变换器

实验结果表明该方案具有较好瞬态表现，在48V输入时具有90.3%的峰值效率，取得0.5A/mm²功率密度。

图21. 不同输入电压下的样机效率表现

随着 AI 智算中心单柜功耗逼近兆瓦级，电源系统正在经历一次从架构到器件的全面重构。本文围绕 800V 母线架构，系统梳理了当前最主流的三类供电方案，并深入解析了“基于 800 V → 50 V 的供电架构”，“基于 800 V → 12 V 的供电架构”和“基于单级VRM供电架构”的三条技术路线的核心差异与演进趋势。

图片| 潘其山

文字| 潘其山

排版| 诸葛英健