碳化硅渗透至数据中心供电系统
思瀚产业研究院    2025-09-30

超大规模数据中心内的电源供应单元（PSUs）对于确保持续稳定的电力输送至关键设备发挥着至关重要的作用。这些数据中心需要不同断的电力来支持其关键应用与服务。PSU负责将输入电能转换并分配给基础设施，确保服务器及网络硬件在内的所有系统保持最佳运行状态。PSU通常采用模块化、可扩展的设计，以适配数据中心扩展过程中日益增长的电力需求。

电源供应单元在数据中心机架配电单元（rPDUs）市场中的应用，对维持超大规模运营的性能与正常运行时间不可或缺。rPDU在服务器机架内部分配电能，而PSU则确保为所有连接系统转换并输送稳定电力。这种协同工作机制使超大规模数据中心能够实现高可靠性、运营效率及冗余备份，这些特性对于管理大规模、关键型、数据驱动的服务至关重要。

传统的数据中心工作负载在计算基础架构中异步运行。AI 训练工作负载热图显示 GPU 如何同步运行，导致 GPU 集群消耗的总功率镜像并放大单个节点的功率模式。数千个 GPU 同步运行，对不同的数据执行相同的计算，这种同步会导致电网级别的功率波动。与传统数据中心工作负载不同，在传统数据中心工作负载中，不相关的任务“平滑”负载，人工智能工作负载会导致空闲状态和高功耗状态之间的突然转换

随着单机柜功率从几十千瓦提升到数百千瓦乃至更高，AI服务器供电系统（包括服务器电源PSU和固态变压器SST）的设计面临全新要求，其核心在于四个方面：提高电能转换效率、减少损耗；高功率密度和体积限制；固态变压器（SST）与电力系统集成。

尽可能提高电能转换效率，减少损耗。传统数据中心采用“80 PLUS”标准规范电源效率，其中最高要求在典型负载时达到96%的效率。而AI服务器由于功率巨大，即使1%的损耗也会转化为数千瓦的热量，需要额外的制冷功率来进行散热。

因此，新一代PSU的效率目标被推向98%乃至99%以上。Infineon的8 kW AI电源即实现了98%的整机效率，显著减少了发热和冷却负担，其新一代12 kW 参考设计的PFC级效率超过99%、DC/DC级超过98.5%，总效率逼近极限。高效的电源每提供100 kW负载仅损耗不到2 kW，比传统方案（例如94%效率时损耗6 kW）将损耗降低了三分之二，大幅缓解了数据中心的散热和运营成本压力。

高功率密度和体积限制：在宝贵的机架空间内，电源所占据的体积必须尽量缩小，否则会侵占IT设备空间，降低计算部署密度。传统54V配电的系统中，一个机架往往需要安装多个电源盘（power shelf）叠加提供足够功率。

例如NVIDIA的GB300系统为满足约130kW负载，使用了8U电源盘。如果进一步扩展到1 MW等级，按54V体系将需要约64U（1U高度1.7 inches）高度的电源，也就是整个机架都被电源占满，几乎无法安装服务器设备，因此，提高每个PSU模块的功率等级和功率密度至关重要。近年服务器单体电源容量已从传统的800 W级跃升至3–5 kW级，新一代PSU提升到8 kW和12 kW，以更少模块满足更高功率需求。与此同时，功率密度也在不断刷新，从早期约30 W/立方英寸提高到100 W/立方英寸以上

更高配电电压和更低输电损耗：为输送如此巨大的功率，服务器配电架构正从传统的低压直流（12 V或48 V）转向中高压直流。

12V DC 机柜级 PSU架构：12V直流机架级电源架构在传统企业数据中心和托管数据中心中仍被广泛使用。然而，在支持人工智能和高性能计算工作负载日益增长的功耗需求时，该架构显露出明显局限性，工作负载需要比12V系统所能提供的更高效电力传输和更高功率密度。12V系统需使用更粗的线缆和更宽的总线槽，不仅占用机架空间，还增加了散热需求。

48V DC 机柜级 PSU架构：48V直流电源架构已成为现代高密度数据中心的首选解决方案。相比12V系统，它具有显著优势，包括更低功率损耗和更优能效表现。2024年至2025年初，包括Meta、AWS和微软在内的超大规模运营商持续扩大48V机架供电系统的应用，这些部署通常遵循开放计算项目（OCP）标准。2024年2月，Meta为满足不断增长的人工智能处理需求，在其欧美数据中心的Open Rack V2平台全面部署48V电池UPS系统。2024年3月，AWS在法兰克福和新加坡新启用的可用区均将48V基础设施作为默认机架电源标准。此外，韩国Naver和Kakao公司于2024年4月开始在其云与人工智能集群中部署48V系统，旨在提升运营效率并实现可持续性目标。

400V ± /800V DC 机柜级 PSU架构：虽然48V系统对功率要求高达100kW的机架极具效能，但在更高负载场景下面临挑战，包括总线槽尺寸增大和需要更先进的冷却方案。400V±/800V 直流机架供电架构虽仍处于早期采用阶段，但其解决超高密度AI/ML工作负载的潜力正获得越来越多关注。该架构支持高压直流直配，通过减少电源转换环节显著提升能效。

新兴应用场景是在机架级进行交直流转换，将交流电直接在机架端转换为高压直流以支持高功率负载。2024年1月，谷歌在俄勒冈州人工智能园区开始实验性部署400V侧挂式电源模块。这些模块可支持超过80kW的机架负载，并将交直流转换与电池备份功能移出计算机架，为GPU和TPU腾出更多空间。

商业化应用方面，维谛技术（Vertiv）的NetSure 9500系列等解决方案正助力早期用户尝试400V直流系统。根据维谛2024年产品手册显示，该系统可扩展至600kW容量，有效降低电能损耗，并能与可再生能源及模块化电池系统高效协同。

除了在数据中心级通过中心基础设施实现重构专用800V供电架构为每一个计算机柜供电外，另一种解决方案是使用由机架侧边的 Sidecar 模块完成。例如英伟达GTC 2025上展示的800 V sidecar，可在单个Kyber机柜中为576 个 Rubin Ultra GPU。

固态变压器（SST）与电力系统集成：传统数据中心从市电引入，要经过变压器将高压降为400–480 V交流，再由每台服务器电源整流为直流。多个级联转换增加了损耗和故障点。为提高系统级效率，未来数据中心倾向于采用固态变压器（Solid State Transformer, SST）技术，从介质电压直接生成中压直流，把原本笨重低效的工频变压器和整流柜功能合二为一。

所谓SST，本质是一种基于宽禁带功率器件的高频电能变换器。通常包含高压AC/DC功率级、高频隔离变压以及DC/DC变换等环节，可将例如10–35 kV的中压交流电直接转换为数百伏直流输出。在NVIDIA提出的架构中，SST设计为独立的模块化柜安装在数据中心供电入口，将13.8 kV三相市电直接变换为800 V DC母线电压。

Delta在2024年GTC大会展示了其SST样机，利用多只SiC开关级的模块化串联，配合高频隔离变压器，将10–33 kV中压电直接转换为800 V直流，模块化设计便于冗余和扩展以适应不同国家的电网电压。通过SST输出的800 V DC可直接通过母线送至机架，无需传统PDU变压和多重AC/DC转换，极大简化了配电链路。

总的来看，SST和HVDC配电的结合，使得未来AI数据中心实现电网到机架的高效直流输电成为可能。这种系统集成方式下，市电、UPS电池及超级电容等储能单元都以直流形式挂接在母线上，各环节更加高效协同。当然，高压直流配电也要求快速电流保护（如微秒级固态断路器）和绝缘监测等新技术，当前业界已在开发基于SiC MOSFET的固态直流断路器，实现微秒级保护以保障系统安全。

SiC在AC-DC和PFC级的应用：在服务器电源（PSU）的前端AC-DC变换中，典型拓扑如无桥图腾柱功率因数校正（PFC）和有源三电平整流等，需要高耐压低损耗的开关器件。这里SiCMOSFET因具备1200 V乃至更高耐压且高频特性优秀，成为首选器件。例如，Infineon的8 kW AI电源采用了650 V CoolSiC MOSFET组成交错并联的无桥PFC，实现了高于99%的峰值AC/DC转换效率。SiC器件在PFC中的优势不仅是降低导通损耗，更体现在开关损耗随频率上升的增幅很小，使得PFC开关频率可从传统几十千赫提高到≥100 kHz，从而缩小PFC电感体积。

另一方面，在SST的高压AC/DC环节，SiC更是不可或缺。许多SST设计采用多重串联的3.3 kV或6.5 kV SiC MOSFET模块，以构建中压AC到高压DC的变换桥臂。Navitas的GeneSiC系列SiC器件覆盖650 V到6.5 kV电压等级，已经成功应用于兆瓦级的电网储能逆变器等项目。高压SiC器件使得中压13.8 kV交流直接整流为800 V直流成为现实，取消了传统工频变压器，极大提升了效率和功率密度。

GaN在DC-DC和次级转换的应用，GaN器件通常工作电压较低（多数为600–650 V及以下），但开关速度更快、栅极电荷和输出电容更小，非常适合用于中压以下的高频DC-DC变换。例如在PSU的隔离DC/DC阶段，输入约400 V DC，经高频变压器降压至48 V或其他低压，再整流输出。这一阶段要求开关频率尽可能高以减小变压器和滤波器尺寸，而GaN HEMT由于没有反向恢复损失且具有高迁移率电子，可在MHz级频率下高效开关。

SiC二极管/肖特基早在传统PFC中就用于替换硅快恢复二极管，降低反向恢复损耗。如今，更常用的是SiC MOSFET，其耐压高（650V、1200V乃至更高）且无体二极管反向恢复问题，非常适合图腾柱PFC等全桥无桥架构。在高线电压或三相PFC中，SiC器件优势明显。例如，当单相输入从230Vac提高到277~347Vac时，PFC输出需提升至约575Vdc，此时650V硅/氮化镓器件耐压可能不足，需要用更高耐压的SiC或采用三电平拓扑。

2025年数据中心PSU市场规模或达75亿美元，预计2030年，数据中心PSU市场规模将攀升至141亿美元，年复合增长率约15.5%。考虑到AI服务器的功率远高于标准服务器，高于3kW的高功率PSU的市场占有率将提升至80%，至2030年达到115亿美元。台达、光宝、华为合计占据50%的PSU市场。• 宽禁带模块渗透率方面，基于SiC、GaN的高功率PSU将从2025年10%提升至约24%，市场规模约33.84亿美元。其中台达、光宝、华为以及康舒、村田、TDK、联想均已配有SiC、GaN相关PSU产品。