800V直流架構(gòu)推動數(shù)據(jù)中心高效升級，GaN與SiC成關(guān)鍵技術(shù)
隨著算力需求持續(xù)增長，數(shù)據(jù)中心的電力架構(gòu)正經(jīng)歷著深刻變革。英偉達等企業(yè)開始在中心端采用800V高壓直流母線，不僅顯著提升能源利用效率，還為設(shè)備布局和空間利用帶來新可能。
在此架構(gòu)下，電能從高壓母線到服務器機架的下沉分配有兩種主流方式。一種是集中式DC-DC轉(zhuǎn)換，先在機架外將高壓變?yōu)榈蛪汉?，通過低壓母線分發(fā)；另一種則是直接在機架內(nèi)完成800V到50V的降壓，這不僅減少了能量損耗，還提升了整體效率，對提升機柜內(nèi)部空間利用也大有裨益。但隨之而來的是對DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率密度和效率提出了更高要求。
面對高頻、高密度以及散熱等多重挑戰(zhàn)，第三代半導體器件（如SiC、GaN）在這一新型800V架構(gòu)中扮演著愈發(fā)重要的角色。近期，意法半導體（ST）就在其新發(fā)布的白皮書中詳細介紹了面向800V數(shù)據(jù)中心配電的高功率電力傳輸板（PBD）設(shè)計，勾勒出該領(lǐng)域的最新解決方案。
高密度DC-DC轉(zhuǎn)換的技術(shù)突破
DC-DC轉(zhuǎn)換器方面，LLC諧振型結(jié)構(gòu)憑借其軟開關(guān)特性及高能效，成為高頻大功率場景中的理想選擇。ST最新推出的12 kW 1 MHz疊層LLC解決方案，就是以GaN器件為核心，將800V直流高效轉(zhuǎn)換至50V輸出，實現(xiàn)98%的峰值效率。方案的關(guān)鍵在于高頻操作帶來的磁性組件小型化，再加上創(chuàng)新的平面矩陣變壓器，多層PCB與磁通補償技術(shù)，有效控制損耗與溫升。這一拓撲利用兩個LLC轉(zhuǎn)換單元串/并聯(lián)協(xié)作，降低了輸入端的電壓壓力與輸出側(cè)的電流壓力，同時采取液冷技術(shù)保障高密度下的熱管理，設(shè)備可靠性顯著提升。
對細節(jié)的極致打磨也體現(xiàn)于磁性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計。矩陣變壓器的主次級繞組結(jié)構(gòu)、交錯并聯(lián)連接與動態(tài)磁通補償策略，不但平衡了電流分布，還能使導體損耗大幅下降。據(jù)實際測算，整體繞組損耗在1MHz高頻下下降了約三成。
配合高密度堆疊結(jié)構(gòu)，ST的12kW電源板原型可實現(xiàn)2500 W/in3以上的功率密度，峰值效率超過98%。系統(tǒng)控制由高性能混合信號MCU（如STM32G4）負責，支持精準PWM調(diào)制及自適應零電壓開關(guān)，進一步確保高頻、高效、高集成的效果。
與此同時，為實現(xiàn)整體安全隔離與應對高壓環(huán)境挑戰(zhàn)，方案選用了ST自家的硅基電隔離芯片，并針對快切換和保護機制做了特殊優(yōu)化。
行業(yè)方案多元化：納微等企業(yè)展現(xiàn)創(chuàng)新力
除ST之外，納微半導體也在白皮書中展示了自家最新10kW、800V-50V全磚式DC-DC參考設(shè)計。其核心亮點在于采用三級半橋LLC拓撲，縮減電壓壓力且提高了整體轉(zhuǎn)換效率。配以高頻GaN器件驅(qū)動、分層平面磁性元件布局，使得方案可以在極為緊湊的尺寸下高效工作。輔助電源和控制回路同樣全部集成，實現(xiàn)了一體化部署。
未來展望與趨勢
總體來看，800V DC架構(gòu)的推進對數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)提出了更高要求。通過高壓直流母線減少輸電損耗、降低AC-DC變換次數(shù)，為IT設(shè)備留出更多空間正逐步成為行業(yè)共識。而在機架內(nèi)部的800V-50V DC-DC轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，高密度、寬頻譜、高效率的GaN已成為行業(yè)標配，SiC主要承擔高壓保護與可靠性補強。隨著更多企業(yè)技術(shù)的持續(xù)突破，高頻、高集成直流變換器將成為數(shù)據(jù)中心供電的主流方案，助力更綠色、高效的能耗管理。
