HVDC，必也正名乎！

HVDC （high voltage direct current；高壓直流），是目前在AI資料中心當紅的技術及產品開發的項目，不僅是NVIDIA執行長黃仁勳所稱的五層蛋糕的第一層，也是所謂電力即算力的具體實現。

現今AI運算及訊號交換的晶片，所需的電力是愈來愈可觀。過去資料中心一個機櫃，100 kw可以搞定。現在進展到至少300 kw起跳，可預見的將來會達到600 kw，甚至1 MW的機櫃。所以過去由電力機房出來的240伏特（V）交流電（AC），可在機櫃內做交流電力到直流電力的轉換，然後供應低於1V的直流電壓給吃電怪獸的晶片。

由於每一機櫃所需的電力急遽上升，這種架構已經無法提供足夠的電力給這群怪獸，因為單一機櫃無法提供足夠的空間作此交流電到直流電的轉換。

因此雲端資料中心的業者提出此高壓直流（HVDC）系統概念，首先將電力轉換部分，獨立成為一機櫃（稱之為side car），與運算機櫃拆開。這個電力機櫃負責將240V的交流電力轉換為800V直流高壓電力，並輸入到運算機櫃。因為是800V的高壓，可以大幅減少電流，因而降低電力傳輸的損耗。而之後在運算機櫃內，只做高壓直流電對低壓直流電的轉換，因此在空間上亦可大幅的縮減，所以HVDC達成資料中心內電力系統的最佳化。下一階段在新設計的資料中心，就會開始將電力機房的輸出直接採用800V直流高壓電力，這樣一來side car就可以進一步地省略了。

然而在最近一次的功率半導體元件的國際研討會上，一位知名的電力系統教授卻大聲疾呼說HVDC這個名詞，在電力系統中已使用行之有年，指的是10萬伏特以上的高壓直流，800V的電壓在電力系統只能算是低壓（low voltage）。的確我查了一下，1,000V以下的電壓在電力系統中，都是屬於低壓。有趣的是，這10萬伏特以上的HVDC，在綠能的驅使下，展現另一波新應用。

首先是離岸風力發電，風力渦輪機所產生的三相高壓的交流電，是經由海底電纜送到岸上的電網。海底電纜的設計是三組同軸電纜線包覆在一起，在每一根同軸電纜本身，或是同軸電纜之間，都會形成電容效應，而電力在交流訊號下（50~60 Hz），會因為此電容而產生充放電損耗，尤其對於長距離超過100公里以上的電力傳輸，此類的損耗加劇而造成實務上的不可行。因此長距離大電力的傳輸，HVDC使用超過十萬伏特的直流電力成為具體可執行的方案，因為直流電力會因電容所造成的損耗極小。所以前任的經濟部長曾提出，利用菲律賓呂宋島所產生的太陽能電力，利用海底電纜傳回台灣，所使用的就是HVDC電纜的技術。同理HVDC亦可用於地下電纜長距離的電力傳輸。

在陸地上的高壓交流電塔，因為電纜都是金屬裸露的，且電纜間有相當的距離，既使是使用交流電力，但因為電容效應極小，因此長距離的傳輸並不是問題。

交流電網或是直流電網的傳輸，是一個已經爭論上百年的議題，最初始是愛迪生擁護直流電而西屋主張使用交流電。但因為直流電不容易升壓，使得每隔一段距離就得設立一個電廠；交流電的好處在於升降壓都相對簡單，使用變壓器而且轉換效率可以到達99%以上，所以才大量的普及。

然而由於功率半導體技術的精進，包括使用GaN或SiC這類的寬能隙半導體，使得直流的升降壓變為可行。基本上直流電力要經過半導體元件，轉換為交流電力，經由變壓器做交流的升降壓，爾後再將交流整流為直流的輸出。所以前後都比交流電多一道工序，因此電力轉換效率上是差了一些。但是在100公里以上大電力的海底或是地下電力傳輸，HVDC已經具備商業價值。

HVDC不論所使用的高壓是800V或者10萬V，都是在為提升電力傳輸效率做努力，受惠於半導體技術的發展，直流電力的傳輸，扮演愈來愈重要的角色。然而高壓終究是相當危險的，我個人在當研究生時期，曾經瞬間地被400V的電壓所電擊過，那的確是個驚心動魄且畢生難忘的經驗。