AI 服务器电源升级，不间断电源 UPS 有望向 HVDC 发展
思瀚产业研究院    2025-04-30

1、 AI 服务器电源功率提升

全球 AI 算力市场规模快速提升。全球人工智能企业数量正高速增长，得益于各国政府的大力政策支持，人工智能产业蓬勃发展。在 2023 年，全球人工智能（AI）市场规模已经达到了约11879 亿元。Precedence Research 预计，到 2030 年，全球人工智能（AI）市场规模将有望实现飞跃式增长，预计将达到 114554 亿元。从 2023 年至 2030 年，全球人工智能市场将有望实现超过 35%的复合增长率，AI 算力市场增长迅速。

需求端对算力需求指数增长。随着人工智能公司和互联网企业对 AI 领域的投入增加，对算力的需求也呈现指数级增长。而随着算力需求的提升，芯片架构和制程也在不断优化，拉动芯片功率提升。

英伟达芯片功率密度持续提升。英伟达芯片晶体管数量持续提升，2024 年发布 Blackwell 架构，芯片内部晶体管数增长明显，带动芯片功率密度提升。作为英伟达液冷供应商，维谛技术在展示中也结合英伟达技术产品路线图，给出了能耗预测。维谛技术预计，到了 Rubin Ultra时期，AI GPU 峰值机架密度功耗最高或超过 1000kW。H100、H200 GPU 功耗都是 700W，而 GB200达到 2700W，单芯片功耗持续提升。

高密度设计带来数据中心架构变革。英伟达发布的 Blackwell Ultra 性能是前代 GB200 的 1.5倍，其 NVL72 方案连接了 72 块 Blackwell Ultra，相应的，数据中心的机架架构也将升级为Kyber，通过将计算托盘旋转 90 度，以实现更高的机架密度。

液冷技术：单颗 Blackwell Ultra 芯片的功耗高达 1.4kW，NVL72 方案单机架整体功耗将达到 120-130kW，传统风冷系统已无法满足散热需求，液冷技术成为趋势。

配电系统的重构：未来的 Rubin Ultra NVL576 机架功耗提升(维谛技术预计)，为减少能量传输损耗，高压直流（HVDC）和模块化电源方案有望逐步普及。

空间效率的进一步压缩：相比于 NVL72 方案，计划 26 年问世的 NVL144 方案性能提升 3.3倍，而 27 年计划推出的 NVL576 方案通过 3D 封装技术将 576 颗 Die 集成于单一机架，单位面积算力密度较 NVL72 方案提升 14 倍，这一趋势迫使机房布局从“横向扩展”转向“垂直堆叠”。

数据中心供电电源架构分为三级架构。数据中心的电力电源分为三级，首先通过 UPS 系统将市电转化为低压交流电；其次通过 AC/DC，输入交流电，将交流电转化为50V/58V直流电；最后通过 DC-DC 在柜内降压为 12V、0.8V 低电压给 CPU 和 GPU 使用。服务器电源(PSU)主要应用于 AC-DC 环节，随着机柜内功率提升，服务器电源有望向高功率方向发展。

GB200 NVL36 配置中，一个机架有 36 个 GPU 和 9 个双 GB200 计算节点（以托盘为单位）。GB200 NVL72 在一个机架中配置了 72 个 GPU 和 18 个双 GB200 计算节点，或在两个机架中配置了 72 个 GPU，每个机架上配置了 18 个单 GB200 计算节点。GB200 NVL72 的机架功率为120kW。

AI 服务器电源有望呈现量增趋势。按照 2N 配置，单个 Power shelf 可以支持 33KW,对应需要8 个 Power shelf，每组 Power shelf 由 6 个 PSU 组成，单个 PSU 功率为 5.5KW，主机柜的功耗可以达到 264KW。

AI 服务器电源性能提升有望拉动其价值量提升。Semi Analysis 统计预测，全球数据中心核心IT 电力需求将从 2023 年的 49GW 增长至 2026 年的 96GW，年化复合增速达 25.1%。根据光明网报道，2025 年 3 月 31 日国家发展改革委党组成员、国家数据局局长刘烈宏表示：持续推进算力基础设施建设。今年底，中国要实现 60%以上新增算力在国家枢纽节点集聚，新建大型数据中心使用绿电占比超过 80%。我们认为，以光伏、风电为基础的绿电供给具有较大的波动性，或将进一步提升对数据中心电源、高压直流装置性能要求，从而带动其价值量提升。

2、不间断电源 UPS 有望向 HVDC 发展，高效率有望成为演进方向

UPS/HVDC 可以保障电能供应短期稳定性，是机柜外供配电电路的重要组成部分，可以保障数据中心不断电。

UPS（交流不间断电源）：在大规模的数据中心之中，目前 UPS（交流不间断电源）设备供电还占据着相对较大的比例，在输入侧掉电时，电池电能经过 DC/DC 适配器，变换到UPS 内部直流母线上，再经过逆变环节变换成交流电，给后方的 IT 设备供电。

HVDC（全直流供电方案）：在数据中心，HVDC 供电技术方案在我国经过十几年的蓬勃发展和规模化应用，也越来越为运营商所接受和采纳，形成 HVDC 与 UPS 并存 的局面。标称电压 为 DC240V 或 DC336V 的输出母线给下游 IT 设备的适配器直接供电，在直流母线上接入电池为 IT 设备做备电，而在电池的充放电管理过程中，功率变换环节更少，效率和可靠性都较高。

UPS（Uninterruptible Power Supply）利用电池的化学能作为能量后备，当市电发生断电或异常等电网故障时，为用户设备提供不间断的（交流）电能的一种能量转换装置，被称之为不间断电源。UPS 主要包括：整流（功率因数校正）、蓄电池组以及其充电放电部分、逆变、静态旁路，和输出转换开关等，为负载提供稳定电压、稳定频率的能量来源。

UPS 在其发展初期，仅被视为一种备用电源。后来，由于电压浪涌、电压尖峰、电压瞬变、电压跌落、持续过压或者欠压甚至电压中断等电网质量问题，使计算机等设备的电子系统受到干扰，造成敏感元件受损、信息丢失、磁盘程序被冲掉等严重后果，引起较大的经济损失。因此，UPS 日益受到重视，并逐渐发展成一种具备稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰、防电压浪涌等功能的电力保护系统。UPS 市场规模稳步增长。

2013-2022 年，我国 UPS（不间断电源）呈现持续增长态势，年复合增长率达到 15.73%。估计 2023 年行业市场规模达到 152 亿元，智研咨询预计 2025 年市场规模达到 191 亿元。

UPS 竞争格局分散，产品逐步向大功率方向发展。参考思瀚咨询数据，从功率大小来看，我国UPS 产品已经从小功率产品向大功率产品发展，市场需求向高端产品转移。从国内 UPS 产品结构来看，10KVA 以上 UPS 占比达到 80.4%，其中 100KVA 以上 UPS 占比达到 50.7%。中国 UPS 市场竞争激烈，众多品牌参与其中，包括科华数据、华为、维谛技术、山特、施耐德电气、伊顿、艾默生等。从 2023 年中国 UPS 行业竞争格局来看，排名前三的企业分别为科华数据、华为和维谛技术，市场占比分别为 15.6%、14.2%和 12.1%。

高压直流供电系统(HVDC)主要由交流配电模块、整流模块、蓄电池等构成。与 UPS 相比，参考中国电信上海信息网络部，

供电关键不同：UPS 系统供电取决于 UPS 设备（逆变器部分），HVDC 系统供电可靠性取决于电池自身。

组成不同：HVDC 包括换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流避雷器及控制保护设备等，与 UPS 不同。UPS 一般由整流器、逆变器、充电器、变压器、静态旁路、通讯接口、蓄电池等部分组成。

UPS 电源多一级变换效率降低，输出采用工频滤波，UPS 电源的电池在输入端，而 HVDC 的电池在输出端。

UPS 电源系统并机是交流并联，需要同频、同相、同电位，HVDC 并机是直流并联，只有同电位的问题。

HVDC 相比 UPS 效率高、可用性高。HVDC 供电是目前国内数据中心供电中在大力推广的一种供电系统。其主要包括：三相 PFC、隔离 LLC 谐振电路。DC 与 AC 相比，其并联简单可靠，并联模块数量可以多至上百个。240V/336V HVDC 设备正是利用该优点，模块化的设计（采用高频化的整流模块），多个模块并联组成一套供电系统，多个模块间有冗余，可热插拔，且电池直挂DC 输出侧，去掉 AC UPS 的逆变环节，系统可用性与 AC UPS 比大大提升。

HVDC 向高压化发展。随着机柜式服务器功率提升，电流增大会导致电路发热增大，输入电压提升有望成为发展趋势，HVDC 供电技术有望朝着高密度、高功率方向发展。目前，国内已有企业布局相关技术，中恒电气正积极研发第三代 HVDC 技术，将电压平台从 400V 提升至 400V—800V，可直接适配 NVIDIA GB200 等高功率 GPU 集群的供电需求。

巴拿马电源在 HVDC 基础上优化。根据 ODCC《巴拿马供电技术白皮书》，从整体结构看，整个巴拿马电源由 10kV 中压柜(可选)，移相变压器柜,整流输出柜,交流分配柜(常规不配置,当要求配置交流 380V 输出时提供该柜)组成。一般巴拿马电源的上游配有 10kVac 中置柜,巴拿马电源进线柜是为了方便运维而增加的，如果 10kVac 中置柜与巴拿马电源在同一房间，中压开关柜可以省掉。

巴拿马电源优势明显。参考 ODCC《巴拿马供电技术白皮书》，以数据中心巴拿马电源为代表的中压直供直流 2N 系统，在整体投资、效能、安全性等各方面都拥有显著优势：

占地面积小、交付速度快：巴拿马电源的架构比传统的供电架构更加简洁，配电/功率变换环节少，中压/低压融为一体，占地面积大大减少。同时减少设备数量，采用解耦,预制化等技术，加快交付速度。

高可用性、效率高：巴拿马电源精简了低压 AC 配电环节，提高可用性；巴拿马电源由传统变压器改为移相变压器，省掉功率因数调节环节，移相变压器的效率为 99%，整流调压部分的峰值效率为 98.5%,整体峰值效率可达到 97.5%。

成本低：巴拿马电源精简了中间环节，设备的使用量变少，结构上设计紧凑，减少了电缆等材料和工程施工量，投资成本大大节省。

巴拿马电源渗透率较低。根据台达 2024 年 8 月数据，全国台达销售的数据中心巴拿马电源在线运行数量已经超过 500 套，但依然处于较低水平，未来随着互联网企业数据中心加速建设，整体渗透率有望提升。

固态变压器(SST)可以进一步提升供电效率。固态变压器也称为电力电子变压器（PowerElectronic Transformer,PET），通过电力电子技术实现传统变压器的功能。除了基本的电气隔离和电压转换的功能，固态变压器还可以实现无功补偿、功率调节与控制以及多端口接入等功能。固态变压器使用高频变压器实现隔离功能，可以大幅度减小变压器的重量和体积。

由于电力电子器件可以实现高度的可控性，因此可以在提高电网供电质量的同时减少对电网的谐波污染。将巴拿马电源中的移相变压器更换成 SST，可以进一步提升效率，参考台达数据，同样系统前提下，SST 目前可以做到 98%的效率，同时全链路架构提升到 91.1%，占地面积也更小。

固态变压器在光伏储能等领域也有所应用，尚未完全成熟。目前常见的功率器件电压等级偏低，少量高压的 IGBT 器件由于损耗大，开关频率低等问题，不适合应用于固态变压器的应用场合。未来随着可靠性完善、IGBT 等部件成熟，有望逐步使用。

3、BBU: 保障较短时间电能稳定

BBU 是服务器稳定的重要设备。BBU 即电池备份单元（Battery BackupUnit），保证服务器系统稳定的重要设备。当主电源中断或不足时，BBU 电池能够迅速接管供电，确保系统有足够的时间来保存重要数据，并将操作转移到其他服务器，从而保护数据中心内的数据安全，提升系统的稳定性和可靠性。

比如市电异常或 PSU 故障导致母线电压跌落至如 49V 时，BBU 放电模块开始激活，通过热拔插 Oring 电路将电池备电单元 BBU 接入 48V 母线，从而维持母线48V 电压为后级负载供电，保障业务零中断，典型支撑时间 2-4 分钟，直至柴油发电机启动。BBU 模块参考设计基于 ORV3 48 V 提案，由带 BMS 的电池包、充电/放电电路和其他功能块组成，模块应为锂离子 18650 型，电芯电压为 3.5 V 至 4.2 V，电池容量至少为 1.5 AH，连续额定放电电流为 30 A，可以在 4 年时间里提供不超过 4 分钟的 3 kW 备用电源。

锂电池 BBU 相较传统 UPS 在 AI 数据中心中优势明显，未来有望成为机柜后备能源标配。在数据中心应急电源系统中，BBU、UPS、柴油发电机及超级电容器各司其职。相比传统 UPS 和柴油发电机，BBU 具备响应速度快（毫秒级）、体积小、布局灵活等优势，可有效衔接超级电容启动与柴油发电机供电的过渡阶段。采用锂电池技术的 BBU 则更具竞争力。一方面，其 5-10 年的使用寿命和快充特性能显著降低全生命周期成本；另一方面，在新型 AI 数据中心采用的高压直流配电系统中，高倍率 BBU 可表现出更高的电力转换效率，有助于优化数据中心运营成本结构。

性能优势：BBU 在转换效率、能量密度、输出功率、使用寿命和体积大小等方面相比 UPS铅酸电池具有明显优势。例如，对于相同的存储容量，锂离子电池的重量仅为铅酸电池的三分之一，空间节省超过 50%。

在数据中心应用优势：BBU 的体积小、重量轻，能够根据数据中心的空间需求进行定制设计，满足高密度计算环境下的空间利用要求。同时高转换效率使 BBU 在运行过程中能够减少能源消耗，降低数据中心的运营成本。最后作为服务器的直接备用电源，BBU 能够确保在外部电源中断时，数据中心的存储系统能够将缓存数据写入控制器的内置磁盘，防止数据丢失，保障业务的连续性。

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