摘要：

人工智能（AI）对算力需求的激增，正推动数据中心迈入全新发展阶段，同时也对数据中心电源系统提出了更高要求。本文围绕数据中心电源系统的节能与绿色低碳目标，系统探讨其架构与技术的最新进展，内容涵盖电源系统架构的演进、不间断电源（UPS）、服务器电源（PSU）与算力芯片电源技术，以及宽禁带半导体器件的应用，最后对未来数据中心电源技术的发展趋势作出展望。

1、引言

数据中心在为现代社会提供信息计算、传输和存储等服务的同时，消耗着大量能源。2024年全球数据中心总耗电量（不含加密货币及数据传输网络耗电量）约为4150亿度，占全球总用电1.5%。近5年我国算力总规模的年均增速接近30%，2024年我国数据中心年耗电量达1660亿度，占全社会用电量约1.7%。

此外，AI大模型日常使用也十分耗电，常规搜索引擎（如谷歌等）的一次搜索响应耗电约为0.3度，而AI大模型的一次用户响应耗电是一次谷歌搜索10倍以上。随着AI不断融入数据中心，数据中心的能耗问题日益严峻。

2、数据中心能效

如图1所示，PUE计算方式只考虑了中压配电、冷却照明、UPS等环节的效率，并未考虑PSU的效率。在AI需求的带动下，PSU的功率急剧上升，其供电效率也应得到重视。

3、数据中心电源系统架构

图3与图4为两种典型数据中心电源系统架构：交流电源架构和直流（HVDC）电源架构[9]。其中交流架构采用交流UPS，是目前数据中心主流的电源架构。HVDC架构采用直流UPS，机房内配电电压为直流240V/336V，且兼容交流PSU。HVDC架构的优点是后备电池更靠近服务器，提升了电网故障时电池后备的可靠性。

国内企业推出了如图6所示的中压巴拿马电源架构，将中压10kV引入机房，通过移相变压器与多脉波整流，将中压转换成低压直流，提升了电源系统效率，并节省了电缆成本。但电源系统仍采用工频配电变压器。

为实现数据中心电源系统的小型化，出现了采用固态变压器（SST）替代工频配电变压器方案，也采用中压10kV直供机房，进一步节省了空间、电工材料、损耗。SST能够提供多个端口，便于新能源接入。目前SST主要有两大技术路线：①采用低压模块级联拓扑；②采用高压器件的非级联拓扑。由于低压模块仍需承受系统绝缘电压，导致级联拓扑方案的功率密度低于非级联拓扑方案[14]，未能达到预期目标。SST技术仍需显著提升以满足数据中心电源系统实际应用的需要。

绿色低碳是当前数据中心电源系统的另一大目标。传统数据中心通常需要柴油发电机作为备用电源，据统计全球数据中心柴油发电机容量约为20GW，柴油燃烧的碳排放远高于天然气、氢气等能源。此外，柴油存在水解、微生物生长、氧化等问题，油品在6个月后会迅速下降，柴油需要定期更换，增加了维护成本。因此，可以采用新能源替代柴油发电机，实现低碳数据中心。微软从2018年开始研究利用氢燃料电池替代柴油发电机，并于近期完成了1.5MW方案的验证，可为数据中心后备供电48h。谷歌、苹果等企业宣布其数据中心已经由100%新能源供电，不过其中大部分是以绿电交易的形式实现。

4、数据中心各级电源介绍

4.1、UPS

UPS的首要任务是确保供电的连续性。在备用电源以及后备电池的基础上，可接入新能源进一步提升系统可靠性。图7为一种超级UPS的系统框图，它从传统UPS架构发展而来，采用电网和天然气两个独立的公共能源设施，并取消了柴油发电机。超级UPS采用直流公共母线，方便光伏和氢燃料电池等新能源接入[16]。目前，超级UPS方案已通过国家863项目验收并实现工业园区的示范应用。

传统数据中心电源架构采用在线式UPS，即全部电能都要经过UPS的两级变换，因此UPS的效率就显得尤为重要。传统UPS受硅基功率器件性能和硬开关工作的损耗制约，通常选取较低的开关频率（如5~10kHz），影响了电能变换效率和功率密度的提升。零电压开关（ZVS）UPS采用齐边沿脉宽调制（EA-PWM）技术，只需一个辅助支路便可实现三相整流桥、三相逆变桥和辅助开关的ZVS[17]。且滤波电感电流连续，具有良好的电磁干扰特性。宽禁带器件的开通损耗远大于关断损耗[18]，ZVS能消除开通损耗，因此十分适合宽禁带器件。图8为三相ZVS-UPS电路拓扑，一台采用碳化硅MOSFET和EA-PWM的150kHz/9kWZVS-UPS样机，其满载效率达到97%，比相同开关频率的硬开关方案提升3%[19]。

4.2、PSU

AI服务器机柜的功率大幅提升，要求电源的功率密度也必须大幅度提升。利用氮化镓（GaN）器件代替硅MOSFET成为发展趋势。

通过GaN器件与ZVS结合，实现了变换器更高频率的运行，这样可以显著减小磁元件的体积，使得采用平面磁集成成为可能，实现电源制造自动化。

4.3、算力芯片电源

传统PSU输出12V至服务器主板，随后通过多相Buck降压至1V左右为处理器供电。随着CPU/GPU功耗的增长，12V母线的电流和损耗也急剧增加，严重降低了供电效率。为此，业界目前已转向48V母线架构。以图11所示的48V两级式方案为例，前级可以采用LLC谐振变换器或开关电容变换器，通常不需要控制输出中间母线电压，中间母线电压为12V或更低的电压。凭借电容的高能量密度，开关电容方案可实现较高的功率密度。但由于开关电容拓扑固有的电荷分配损耗，难以在大电流输出时实现高效率。图12所示的混合开关电容变换器，输出采用“小电容-小电感-大电容”结构的CLC滤波器，将电荷分配损耗抑制在满载功率的1%以内，实现了98.4%的峰值效率和6200W/in3的满载功率密度。

算力芯片电源的后级采用多相Buck变换器构成电压调节器（VR），业界的主流解决方案为图13所示的Driver+MOSFET（DrMOS），封装内部集成了Buck电路的开关器件（HSS、LSS）和驱动电路，可显著降低寄生电感，提升高频开关性能。

新一代CPU/GPU的功耗仍然随着摩尔定律而不断增长，例如英伟达的BlackwellB200芯片，其功耗达1000W。在服务器主板有限的面积内提供大电流供电，是VR的一大挑战。图11所示的两级式平面供电架构中，DrMOS和输出电感将同时占据主板面积。在近两年的IEEEAPEC会议上，英特尔、英伟达、谷歌、德州仪器等企业都展示了垂直供电的原型方案，旨在解决图11所示传统平面供电网络损耗过大和主板面积不足的难题。

图14为两级式架构中的后级垂直供电架构概念图。

因为后级多相Buck负责处理器电源的负载动态响应，将后级放置于处理器下方，不仅可以减少线路损耗，还可减小输出回路寄生电感，提升动态响应。谷歌的后级垂直供电样机达到了1A/mm2的电流密度，48V输入的峰值效率为87%，800A输出的效率为80%[31]。垂直供电仍面临磁元件集成、高频寄生参数、机械和热应力、装配困难等技术难题。

5、总结与展望

数据中心电源系统展望如表1所示。AI、云计算等需求呈爆炸式增长，推动了数据中心的快速发展。数据中心单位面积处理功率的能力将显著提升，以满足AI大模型对电能需求的大幅增长的要求，并进一步倒逼机架电源和UPS等功率密度提升，以及SST等的产业化。电源效率、功率密度、系统可靠性和可再生能源接入等需要将推动供电架构、电力电子变换拓扑和半导体器件的创新。