数据中心能耗和功率高，SST产业趋势凸显
思瀚产业研究院    2025-11-27

1、背景：AI 市场规模高速增长，数据中心是核心基础设施

全球人工智能市场规模高速增长，预计 2034 年市场规模达到3.68 万亿美元。据Precedence Research 统计，2024 年全球人工智能（AI）市场规模为6382.3亿美元，2025 年规模约为 0.76 万亿美元，预计到 2034 年达到约3.68 万亿美元。2025年至 2034 年期间，该市场将以 19.20%的 CAGR 持续扩张。分区域看，2024年美国 AI 市场规模为 0.15 万亿美元，预计到 2034 年将达0.85 万亿美元，期间CAGR为19.33%；亚太地区将成为增长最快的AI市场，2025-2034年CAGR预计达19.8%。

数据中心是 AI 的核心基础设施，电力是重要保障。为高效、安全存储和处理海量数据而设计的设施。随着云计算与人工智能兴起，其重要性持续提升，已成为支撑全球数字化转型的核心基础设施。现代数据中心核心包含服务器、存储系统、网络设备等关键计算硬件，同时配备提供电力、冷却及安防保障的专用辅助基础设施。

2、数据中心困境：高能耗+高功率+集中分布+电费高

高能耗：1）2017 年左右，数据中心耗电量大幅提升，其核心驱动因素包括云计算发展以及人工智能的崛起。据 IEA 统计，2024 年全球数据中心电力需求为415TWh，约占全球总用电量的 1.5%。2030 年全球数据中心电力需求将达945TWh，大致与目前整个日本的年用电量相当；2）AIDC 在数据中心总能耗占比迅速提升。

AIDC是数据中心在 AI 需求下的升级，数据中心是通用基础，AIDC 是针对性优化的智能算力载体。据 IDC 数据，2024 年 AIDC 的 IT 能耗（含服务器、存储系统和网络）达到55.1TWh，2025 年将增至 77.7TWh，2027 年将增长至146.2TWh，2022-2027年 CAGR 约为 44.8%，五年间实现约六倍增长。2022 年AIDC 在全球所有数据中心的能耗占比为 7.6%，至 2027 年该比例将提升至 18.0%。

高功率：1）英伟达机架功率接近指数级增长。英伟达Rubin Ultra GPU机架的功率已接近网页服务器的 100 倍，且正以近乎指数级的速度增长，随着GPU的迭代升级，每一代 GPU 的热设计功耗通常会逐步提升 20%，这导致单台服务器的功耗需求随时间不断增加，机架性能的提升与功率密度紧密绑定；2）全球数据中心大功率密度机架占比逐渐提升。

据 Uptime Institute 统计，2024 年数据中心机架功率密度在15kW以上区间同比均出现增长，部分机架功率密度甚至达到100kW以上。这种变化很大程度上要归因于 2022-2023 年初新型高性能处理器的推出，随着高功率GPU大量出货并在各类应用中安装部署，机架功率将持续攀升。高功率需求对供电系统的能效提出更高要求。

集中分布：1）数据中心呈现集中分布态势。当前数据中心总数量约为11064座，截至 2025 年 11 月，美国数据中心数量位居全球各国之首，为4165 座；英国的数据中心数量次之，为 499 座；德国则有 487 个；中国大陆拥有381 座，处于第四位。在这些地区，数据中心电力需求占比格外高，美国已有6 个州的数据中心耗电量占当地电力供应的比例超过 10%，其中弗吉尼亚州以 25%的占比位居首位。数据中心的集中分布对持续高效的电能供应提出了更高要求；

2）超大型数据中心数量增速高。数据中心分为企业数据中心、托管与服务商数据中心以及超大规模数据中心。超大规模数据中心采用可扩展、高能效的基础设施，支撑云计算、网络托管服务，通常由亚马逊、谷歌、Meta、微软等大型科技企业运营，其市场占比增长迅速，已从2010年约 10%提升至目前的 37%。据 Synergy Research 预测，超大规模数据中心总容量将在不到四年内再次翻倍，未来每年将新增约 130 座超大规模数据中心。

电力系统和电费成本高。1）数据中心的建设成本为 700-1200 万美元/MW（已投运IT 负载）。以美国弗吉尼亚州北部区域为例，建造一座总面积70 万平方英尺、IT负载 60MW 的数据中心，不包含 ICT 设备其建设总成本将在4.2-7.7 亿美元之间，其中电力系统占比 40%以上；2）数据中心运营过程中电费占比高。数据中心运营的主要费用来源于电费、宽带、人工以及租金等，其中电费是运营成本中最重要的部分，占总成本比重超过 50%。

3、 数据中心供电趋势：高压直流+绿电

趋势：数据中心能耗和功率提升推动数据中心供电架构革新，其集中分布态势将进一步加剧供电系统压力，为适应数据中心高功率需求并降低电能损耗、节省成本，高压直流供电和绿电直连将成为主流方向。

高压直流：超过输电临界距离时，高压直流输电相比于交流输电经济性更高，在线路损耗、设备成本等方面的优势逐渐显现，能够显著降低输电成本。

绿电：从”保障供电安全“到“极致能效与碳中和”的目标升级，绿色全直流阶段是发展趋势，该阶段全直流微电网成为主流，深度融合可再生能源（光伏/储能）。

4、 SST 特点：新型功率器件+中高频变压器，SST供电实现高效+高集成

概念：相比于工频 UPS，SST 用新型 SiC 或 GaN 取代硅基功率器件，中高频变压器取代低频变压器。工频 UPS 的元件主要是硅基功率器件以及基于铁芯和铜绕组的低频变压器；固态变压器（SST）也称为电力电子变压器，主要由新型功率器件和采用中高频电磁耦合技术的中高频变压器构成，中高频变压器能够通过提升频率减少磁芯体积和线圈用量。功率器件决定 SST 的效率与功率密度，SiC 和 GaN 应用逐渐广泛。

目前国内SST大多采用 IGBT 模块作为核心功率器件，但在追求更高能效和功率密度的领域，逐步被宽禁带、高热导率、以及高击穿电压的 SiC 取代。SiC 属于第三代半导体，适用于高压、高频以及高效率的应用场景，在快速开关和高温条件的应用中表现更佳。GaN相比于 SiC 具有更高的电子迁移率，开关速度更快，适用于高频场景。因此，SiC更适用于高压高功率场景，GaN 更适用于高频、体积敏感场景。

高频变压器实现电气隔离与电压变换，非晶合金和纳米晶是磁芯关键。高频变压器是SST 缩小体积的关键，其设计要解决高频损耗、局部放电与热管理方面的技术难点，需要优化磁芯材料选型、绕组结构和散热方案的设计。当前仍存在技术难点，以纳米晶合金为例，其具有较高电导率，而高频漏磁通垂直通过其表面带材时，会感应出强涡流，进而引发热问题，对变压器及系统运行造成不利影响。

SST 分类：三级拓扑结构因功能多样成为主流。1）按电能变换环节数量SST可以分为四种类型，包括三级型、四级-I 型、四级-II 型和五级型。2）按电力电子变换过程中有无直流环节可分为单级拓扑、双级拓扑和三级拓扑。单级拓扑直接AC/AC变换，双级拓扑中/高频变压器仅一侧含直流环节，三级拓扑中/高频变压器两侧均含直流环节，实现两侧解耦控制、提供多种交直流端口供可再生能源等接入。

三级拓扑结构可分为高压输入级、中间隔离级和低压输出级。1）输入级：通过AC/DC变换器直连交流配电网，将交流电整流成直流电，由于Si 基IGBT 耐压有限，常采用级联 H 桥（CHB）等多功率模块串联结构，应用高压 SiC 器件可简化电路；2）中间隔离级：采用 DC/DC 变换器连接高低压两侧直流环节，输入级直流电-高频交流电-直流电，其间由高频变压器（HFT）进行电压变换，通过高频化以缩小体积，是影响SST 效率及功率密度的关键；3）低压输出级：为 DC/AC 变换器，连接中间级直流环节和负荷或低压有源电网，通常采用两电平逆变器并联结构。

数据中心供电系统：包括交流不间断电源（UPS），高压直流（HVDC），巴拿马电源和 SST 系统四种方式，UPS 和早期 HVDC 主要采用工频变压器，巴拿马电源采用移相变压器，SST 采用高频变压器，SST 由于其高效高集成度以及绿电直连优势成为发展方向。

SST 具有高效高集成度以及便于绿电直连的特点。1）高效率：对比传统UPS，SST系统的全链路效率可明显提升，对于负载率为 90%的2.5MW的系统，能够省电约59 万度/年；2）高集成：SST 直接将 AC10kV 转换为DC800V，通过直流母线传输至服务器电源架，再通过一级 DC/DC 变换即可转换为DC48V，避免多数中间步骤，从中压变压器到列头柜，SST 系统占地面积不足传统 UPS 的50%，且重量更轻；3）绿电直连：SST 以 DC800V 输出，该电压便于与分布式光伏、储能等源网荷储设备进行直流侧并网，SST 系统能够避免部分转换调整环节，简单可靠，降低成本。

5、 SST 应用场景：数据中心供电是SST 最主要应用场景

数据中心供电是 SST 最主要应用场景。SST 适配多种场景需求，包括铁路牵引、数据中心、智能电网和汽车充电站等，其中数据中心应用占比达40%。铁路领域，牵引变压器是机车牵引电传动系统核心，车载式需满足体积小、重量轻的要求；数据中心应用 SST 可压缩占地、提升效率、降低能耗，中国西电贵安数据中心项目为代表；智能电网领域，SST 能提高光伏等新能源消纳效率，为光能源白云电气科技大厦相关项目已落地；汽车充电站场景，SST 适配新能源车快充升级与设施降本需求，为光能源中石油昆山开发区供电所充电站提供了高效方案。

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