AI機櫃邁向MW級 800V直流供電如何降低電流負擔
- 陳俞萍／台北
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AI伺服器的運算能力持續提升，機櫃用電量也跟著增加，但機櫃空間並未等比例擴大。如何在有限空間內輸送更多電力，同時降低轉換損耗與散熱負擔，成為資料中心電源設計的重要課題。
意法半導體（STMicroelectronics；ST）設有電源與能源技術創新中心，由周光祖（Eric Chou）擔任負責人。ST技術資料顯示，當機櫃功率從數十千瓦提高到數百千瓦，甚至朝MW（megawatt；百萬瓦）級發展，既有的低壓配電架構將在電流、銅材用量與空間上面臨限制。
ST技術資料整理的NVIDIA機櫃電力路線圖顯示，供電架構將分階段演進：2024年起的設計以機櫃內單相交流電源供應器為主，單櫃功率低500 kW；2026年起轉向三相輸入的高壓直流電源側櫃，對應約500 kW 以上的機櫃；2028年以後，目標是結合多種能源的混合微電網，支援超過1 MW的單櫃功率。NVIDIA也在2025年公布 800V 直流供電規劃，預計自2027年起隨Kyber機櫃系統導入，支援單櫃1 MW以上的電力需求。
資料中心整體用電量也快速增加。國際能源總署（IEA）於2025年4月發布的《Energy and AI》報告指出，2024年全球資料中心用電量約為415 TWh；基準情境預估至2030年將增至約945 TWh，超過2024年的兩倍。這項統計涵蓋所有資料中心，不僅限於AI設施。
SiC與GaN提高功率密度 電源設計仍須整體考量
機櫃功率提高後，電源供應器必須在有限空間內處理更大的電力負載。碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）等寬能隙半導體，因而成為改善電源轉換效率與功率密度的重要技術選項。
傳統矽功率元件技術成熟、成本具競爭力；但當切換頻率與功率密度提高，切換損耗、元件體積及散熱需求就更難兼顧。ST的技術資料指出，SiC與GaN可用於多種電源轉換拓樸，讓設計者在效率、切換頻率與電路體積之間有更多選擇。
在連續導通模式（CCM）的圖騰柱功率因數修正（PFC）設計中，ST指出須採用SiC或GaN；三階拓樸則可使用這類元件實現雙向轉換。ST的技術資料也比較了不同切換頻率：部分三階設計可由一般低於20 kHz 的頻率提高至48 kHz以上；部分GaN電路的切換頻率則可超過1 MHz。
提高切換頻率有助於縮小變壓器、電感等磁性元件，但控制時序、電磁干擾及散熱設計也會更具挑戰。因此，改用SiC或GaN並不代表效率就會自動提升，還必須同步考量閘極驅動、控制演算法、電路配置與磁性元件設計。
ST的技術資料顯示，部分電源轉換級效率可達99%以上，這是單一轉換級的表現，不等於整套供電系統的效率。
50V配電遇上電流瓶頸 800V開始受到重視
目前常見的AI伺服器供電架構，是先透過交流電源供應器將電力轉換為約50V或54V直流，再經機櫃匯流排送至伺服器內部，逐級降至12V等中間電壓，最後轉換為GPU所需的核心電壓。
這套供電方式已相當成熟，但機櫃功率提高後，低壓配電所需承載的電流也會大幅增加，連帶提高導體截面、銅材用量及散熱需求。
以250 kW機櫃為例，在不計入轉換損耗的簡化估算下，50V匯流排需要承載約5,000A電流；若改採800V配電，電流約為313A。降低電流有助於縮小導體尺寸、減少銅材用量及傳輸損耗。
ST技術資料以250 kW作為50V與800V架構比較的參考點：低於此功率，既有50V架構仍有使用空間；機櫃功率進一步提高後，800V在導體尺寸、功率密度及傳輸效率上的優勢就更值得評估。
NVIDIA公開的技術文章指出，54V配電在單櫃功率超過約200 kW後，會面臨空間與銅材需求的限制。依NVIDIA的比較，相較於415V交流配電，800V直流可讓相同尺寸的導體多傳送約85%的功率，銅材用量約減少45%。
資料中心供電不會一次全部改成800V。過渡期間，可先由三相交流電源側櫃產生800V直流，再於機櫃內降至50V，讓伺服器沿用既有的後段供電設計。往後則可依伺服器需求，將800V轉換至不同的中間匯流排電壓，減少部分轉換環節。
更長期的規劃，是透過固態變壓器（Solid-State Transformer；SST），將中壓交流電轉為800V直流，直接供應資料中心內的IT機櫃。不過，提高配電電壓也意味著絕緣距離、連接器、故障保護、直流電弧處理及維修安全都必須重新評估。800V牽動的是整條供電路徑，而非單純更換機櫃匯流排。
從5.5 kW電源供應器到12 kW高壓轉換板
在電源供應器設計上，ST依Open Rack v3（ORv3）規格提出3 kW、5.5 kW、8 kW與12 kW等級的AC-DC電源設計，功率密度分別約為40、48、62與85 W/in³。
ST公布的5.5 kW電源設計，前級採用雙通道交錯式圖騰柱PFC，後級則為三相LLC諧振轉換器，搭配ST的矽與SiC MOSFET、隔離式閘極驅動器，以及兩顆STM32G4微控制器。電路另採用GaN輔助電源轉換器VIPerGaN65D，以及電能計量晶片STPM32。
根據ST的測試結果，這款5.5 kW電源在277 Vac輸入條件下，峰值效率為97.8%，約出現在30%負載；滿載效率則為96.7%。混合模式PFC控制演算法、寬能隙功率元件及GaN輔助電源設計，都是降低損耗的設計環節。
ST也提出伺服器常用的M-CRPS電源設計。其中一款採用SiC與GaN的4.5 kW、54V輸出方案，功率密度為136 W/in³，效率高於96.5%。
針對800V直流機櫃，ST於2025年10月公布12 kW GaN電源轉換板已完成滿載測試。這款轉換板將800V直流降至約50V；依ST新聞稿，可連續輸出12 kW，效率高於98%，功率密度超過2,600 W/in³。
ST技術資料另列出更詳細的參數：採用16:1非穩壓轉換架構，輸入範圍為800V ± 100V，輸出約為43.75～56.25V，標示功率為12 kW TDP、21.6 kW EDP。設計將800V 輸入分成兩組400V，分別經矩陣變壓器轉換後並聯輸出；一次側與二次側均採用GaN元件，切換頻率為1 MHz。電路板約為124 × 60 mm，不含散熱片的高度不超過10 mm。
ST於2026年3月公布與NVIDIA合作開發的800V轉12V與800V轉6V電源架構。800V轉12V的6 kW LLC轉換器，切換頻率為850 kHz，峰值效率為97.5%；800V轉6V的20 kW八階堆疊式LLC轉換器，切換頻率為650 kHz，峰值效率為96.5%。這些設計旨在減少中間轉換環節；實際採用哪種架構，視機櫃密度、GPU配置與散熱方式而定。
ST估算園區配電可節省約4%用電
當資料中心功率朝GW等級發展，供電改善也會從伺服器電源延伸到整個園區。傳統交流架構從中壓電網進入，依序經過變壓器、自動切換開關（ATS）、不斷電系統（UPS）、配電單元（PDU）、伺服器電源與核心電壓轉換等環節，ST依各級效率估算整體效率約為89%。
高壓直流架構則由中壓交流電網經SST轉為800V直流，再供應IT機櫃，ST估算整體效率約為93%。依89%與93%的效率估算，在相同IT負載下，輸入電力約可減少4%，與ST所列的節電估算相近。
高壓直流架構也能與電池儲能、太陽能、風力、燃氣或小型核能等在地能源搭配，讓不同電力來源接入園區供電系統。
固態變壓器是其中一項關鍵設備。ST技術資料列出的中壓SST設計範例，單一模組功率約為40～70 kW，輸出電壓為800V；一套接入約13.8 kV交流電網的SST約需30個模組，採輸入串聯、輸出並聯（SIPO）架構。
然而，固態變壓器要導入大型資料中心，仍須解決中壓絕緣、故障保護、模組串並聯控制、長期可靠度與維修成本等問題，並經過完整的工程驗證。
SiC與GaN讓電源能做到更高的功率密度，但系統能否受益，要看配電電壓、轉換拓樸、能源管理與散熱設計能否同步規劃。當機櫃功率朝數百千瓦、甚至1 MW邁進，供電架構也將直接影響資料中心可部署的運算資源。
