AIDC 供电架构的高压直流演进路径
思瀚产业研究院    2025-07-07

1、海外：机架电源→边柜电源→HVDC 的三阶跃迁路径

结合海外大厂及电源供应商提供的数据中心供电架构路线图，我们预计 800V HVDC 供电架构的升级可能需要持续数年、分阶段来实现：短期先从服务器机柜内电源过渡到独立电源柜；中期独立电源柜输出电压从 50Vdc 提升到 800Vdc；远期实现数据中心基础设施级的800V HVDC 直供。

短期：从机柜电源到独立电源柜，PSU 从 5.5kW 到 12kW

近年来，AI 数据中心的供电架构呈现双轨并行的升级趋势：一方面，机架内电源模块（PSU）正向更高功率密度演进；另一方面，独立的边柜电源（Sidecar）方案受到大厂青睐。这两种路径并非取代关系，而是根据客户对功率上限、扩展性及成本的不同需求并存发展。在机架内电源方案中，PSU 功率正经历从 5.5kW 到 12kW 的显著跃升。

以英伟达的 GB200NVL72 为例，其电源架采用 6 个 5.5kW PSU 实现 33kW 输出。预计今年台达、光宝等供应商将陆续推出支持 OCP 机架的 21 英寸 12kW PSU，6 个 PSU 构成的电源架功率提升至 72kW。这一升级直接优化了现有 IT 机架的空间利用率，但功率扩展仍受限于机柜物理空间，更适合现有数据中心改造或中等功率需求，优势在于兼容现有设施并降低初期投入。

为突破功率瓶颈并增强系统可扩展性，边柜电源方案应运而生。该方案将配电单元（PDU）、电池备份单元（BBU）、超级电容（PCS）等电源组件从 IT 机柜剥离，整合至独立的侧边机柜中。不仅释放了 IT 机柜空间，更重要的是实现了功率上限的大幅提升与架构灵活性——未来可直接升级至 HVDC 高压直流架构，支持单机柜 250kW 以上的功率密度，并为固态变压器等下一代技术预留接口。边柜电源方案更适合高功率服务器和新建项目，通过模块化设计实现供电与算力解耦，不仅支持当前 12kW PSU，还可无缝适配未来 20kW+ PSU 及HVDC 直供架构。

中期：从 50Vdc 到±400V/800V HVDC

随着 AIDC 的单机架功率需求将攀升至 600kW-1MW 量级，传统 50V 供电架构正逼近其物理极限，高压直流供电架构因其在效率、散热、铜排、功率密度等问题上的优势受到大厂推崇。当前 HVDC 的主流电压等级选择集中在 400V、±400V 和 800V 三类，这一设计逻辑与电动车产业链的电力电子技术生态高度协同。0-400V 凭借成熟供应链和低成本 IGBT 器件成为性价比首选，其电压覆盖现有 UPS 功率因数校正电路（PFC）输出电压（380–400V），且无需大幅调整电池管理系统（BMS）。

从安全角度来看，工程师们对 400V 的爬电距离和电气间隙要求方面积累了扎实的经验，而 800V电压的绝缘成本和复杂性都会显著上升。0-800V 是更高功率密度和更高效率的选择。不过，由于 800V 是一个相对较新的生态系统，成本更高，还需要解决一系列关于用电安全的问题，如电弧防护与绝缘设计等。±400V 兼具 400V 和 800V 的优点，既可以利用现有的供应链，又能达到 800V 的高功率密度和效率。难点在于需要通过复杂控制实现负载平衡，同时比 400V 和 800V 方案多 1 根电缆。

目前微软、谷歌、Meta 等海外大厂更倾向于选择±400V 方案，源于其务实的工程导向与短期落地可行性。2025 年三家龙头在 OCP EMEA 峰会上联合推出"Mount Diablo"项目，并将其技术规范提交至开放计算项目（OCP）社区，推动其成为新一代数据中心供电架构的开放标准。Mount Diablo 的核心设计理念包括将电源（AC/DC 转换器、备用电池）从计算机架中解耦，以侧挂式模块实现±400V 直流直供等。而英伟达则押注更具颠覆性的 800VHVDC 架构，通过与英飞凌、台达、维谛等上游伙伴成立产业联盟，前瞻性地布局 800V 方案，有望加速 800V 产业化。

远期：从数据中心系统层面构建 HVDC 输配电链路

远期来看，在新建数据中心的配电系统设计中，将 13.8kV 交流电网电力直接转换为 800VHVDC，同时将风光储氢等清洁能源与数据中心高压直流母线直连形成直流微电网，从而实现多向能量流交互与智能调度，是一种更为高效且有前景的路径。台达在 COMPUTEX 2025展示的微电网解决方案中，使用了基于 SiC 的固态变压器实现中压电网与低压电网交直流的转换，有效降低能源损耗与占地面积，更可快速部署、易于扩充；其智能化与双向特性，可有效并入分散式清洁能源与储能系统，应对现代电网的挑战。

固态变压器（Solid-State Transformer，SST）是一种基于电力电子技术和高频变压器的先进电能转换设备，也被称为电力电子变压器（Power Electronics Transformers，PET）或电能路由器。它通过半导体器件和高频开关技术替代传统变压器的铁芯和线圈结构，实现电压变换、电气隔离及电能质量控制等功能，具有体积小、效率高、支持双向能量流动的优点。

固态变压器由多级电力电子变换器和高频变压器组成，适用于数据中心场景的典型结构为三级式转换，包括输入级 AC/DC 电路、隔离级高频 DC/DC 电路、输出级 DC/AC（DC）电路。1）输入级 AC/DC：将低频交流电转换为直流电，采用 SiC/GaN 宽禁带半导体可降低开关损耗、增强热稳定性，高频开关实现更高功率密度、节省体积，提供无功补偿，提升电网稳定性；2）隔离级 DC/DC：高频变压器隔离并调整高压侧和低压侧之间的电压，通过利用先进的磁性材料（如铁氧体和非晶合金）最大限度地减少了磁芯损耗，同时保持了高热稳定性和功率密度。高频变压器的工作频率范围从几十 kHz 到几 MHz 不等，与传统变压器相比，尺寸和重量显著减小；3）输出级 DC/AC（DC）：输出所需交流或直流电压，支持双向功率流，可实现分布式能源、储能系统和可再生能源的无缝集成。

目前固态变压器的大规模应用仍面临多重挑战。成本与可靠性是首要瓶颈，当前 SiC/GaN器件和复杂的设计导致 SST 造价较传统变压器更贵，具有多级设计和先进控制能力的 SST需要经过广泛的测试和验证。除了东数西算等项目因引入绿电而配置 SST 外，多数数据中心仍倾向采用性价比更高的方案。

2、国内：目前高压直流仍以 240V 为主，逐步兼容更高电压等级

国内的数据中心 HVDC 概念源于通信行业。此前，-48V 直流作为电信设备的标准供电方案已沿用数十年，其核心优势在于供电可靠性高且转换损耗低，同时简化了电池备用系统的设计。随着数据中心规模扩张与复杂性提升，传统交流配电在效率、空间占用及扩展性等方面的局限性日益凸显，从而推动行业向更高电压等级的直流系统转型。

国内 HVDC 主流采用 240V 直流电压，是兼容性和安全性共同推动的结果。早期数据中心设备普遍采用 220V 交流输入电源，而 240V 直流系统可直接兼容原有设备，无需改造电源模块或定制硬件。相比之下，336V 或 380V 方案需定制电源，对服务器厂商供应链提出挑战，推广难度较高。在安全性设计上，240V 系统采用浮地架构，正负极对地电压约 135V，显著低于 220V 交流电的峰值电压 314V。即便发生单极接地故障，触电风险也大幅降低。

国内 HVDC 的规模化应用始于电信运营商，扩展于互联网巨头。2007 年国内江苏电信开始试点 240V 高压直流通信电源产品，目前以阿里巴巴、腾讯、百度为代表的互联网行业龙头的自建数据中心已经广泛采用了 240V 高压直流供电系统，如阿里巴巴千岛湖数据中心、百度阳泉数据中心均采用的一路市电+一路 HVDC 架构，进一步提升供电效率。目前国内 HVDC 产品以巴拿马电源为代表的高集成模块为主。

2019 年阿里巴巴携手台达、中恒电气推出了巴拿马电源，该方案集成了 10kVac 中压配电、变压器、模块化直流电源和输出配电单元等环节，对中压 10KVac-240Vdc 的磁路和电路进行联合设计，取代了传统架构从中压引入到直流输出之间的众多中间设备，具有超高效率、高可靠性、高功率密度、高功率容量、兼维护方便等特点，整体系统效率可达到 97.5%。

新一代 HVDC 系统兼容更高电压等级。虽然美国对中国实施高端 AI 芯片禁运，但随着国产化芯片性能不断提升，预计 AI 算力需求仍将持续增长。为了应对未来 AIDC 的高功率场景，国内厂商的 HVDC 电源也逐步兼容更高电压等级，2024 年百度推出的“瀚海”电源系统，可支持 270V、750V 直流输出，实现单机柜供电能力 100kW+，适用于数据中心的改造、新建等多场景和不同服务器的升级迭代。

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