AI数据中心配电：从电源架到机架级供电

人们通常从电源转换、高压直流配电或服务器电源的角度来讨论人工智能数据中心的电源架构。但在电源架和服务器之间，还有一个部分值得我们更加关注：那就是机架内部的电源实际分配方式。

一旦电力进入大功率机架，挑战就不再仅仅是将电力从一个点输送到另一个点。母线、端子、连接器、开关设备和保护组件都成为同一条电气路径的一部分。

在高机架功率下，连接点的微小电阻都可能引发热问题。紧凑的配电布局会增加维护难度。配电电压的变化也会影响绝缘、开关和保护要求。

这使得机架级供电成为整个 AI 服务器电源架构的重要组成部分。

电源进入机架后会发生什么变化？

电源架提供下游系统所需的输出，但机架仍需将该电源分配给多个负载。

简化后的路径如下所示：

电源架 → 机架配电 → 母线 → 开关/保护 → 服务器电源系统

实际架构因平台而异，但系统的这一部分有几个需要协同工作的要求。

配电路径需要承载所需的电流，保持可接受的电压降，控制散热，提供适当的保护，并在必要时允许隔离相关部分。

这时，机架级设计就不仅仅是导体尺寸的问题了。

电流路径不止母线

在查看机架电源分配时，很容易将注意力集中在母线上，因为它是最明显的大电流元件。

但电气路径还包括端子、接头、连接器、开关设备和其他接口。

在持续高功率运行的情况下，这些要点可能会变得非常重要。

例如，两条配电路径可能具有相似的额定电流，但由于连接电阻、热条件或物理布局的差异，在实际运行中表现不同。

因此，需要考虑完整的电流路径，而不是仅仅评估母线。

同样的原则也适用于为未来功率扩展而设计的机架。增加可用功率不仅仅是主导体能否承载更大电流的问题，周围的连接和组件也需要足够的电气和热裕量。

当保护成为建筑的一部分

安全防护与电力分配方式密切相关。

下游发生的故障应被隔离，避免对机架其他部分或上游电源系统造成不必要的影响。同时，保护装置需要在实际的直流电压、电流和故障条件下运行。

这使得保护措施的选择成为一个架构问题，而不仅仅是组件选择问题。

根据机架设计，可以在电源路径的不同位置使用熔断器、接触器和其他开关或隔离装置。

根据安装位置的不同，它们的要求也会有所不同。

靠近主直流电源的设备可能与下游使用的设备遇到不同的故障情况。因此，需要综合考虑连续电流、分断能力、开关要求、热条件和电气耐久性。

开关不仅仅是打开和关闭电源。

直流开关器件在大功率机架中可以发挥多种功能，包括受控连接、断开和电气隔离。

它们的具体选择取决于系统的实际运行条件。

电压和电流只是影响因素的一部分。工程师还需要考虑负载类型、开关频率、预期电气寿命、故障情况以及设备周围的温度。

周围的保护和控制架构也很重要。

因此，即使某个开关元件的标称电压和电流看起来足够大，也不能将其应用于机架中的每个位置。

界面处常出现热量

热问题并非总是源于最大的部件。

在高电流下，连接点会成为重要的热源，因为电流路径上存在电阻。

母线接头、端子、连接器和开关设备都会影响机架的整体散热性能。

因此，物理布局至关重要。

一个元件在特定条件下可能具有足够的电容量，但当它安装在气流有限且附近有热源的紧凑型机架内时，其实际工作温度可能会发生变化。

对于高功率人工智能系统，热评估需要沿着电路路径进行，而不是作为一个单独的问题来处理。

高压配电变化比电流变化更大

高压直流配电可以降低给定功率路径中的电流，但这种变化也会影响该路径周围的组件。

绝缘要求、爬电距离和间隙、开关能力和保护协调都需要与选定的电压等级相匹配。

这就是机架级配电与向更高电压 AI 数据中心架构的更广泛发展趋势之间的联系所在。

上游配电系统可能受益于较低的电流，而下游设备可能需要不同的输入和转换特性。

因此，电压决策不能脱离机架架构而独立存在。

我们在关于人工智能数据中心 800VDC 配电的文章中更详细地讨论了高压配电与更广泛的人工智能数据中心电力系统之间的关系。

机架电源也必须易于维护。

高功率机架不仅仅是一个电气系统，它也是需要进行检查、维护，甚至可能需要改造的设备。

随着越来越多的电源元件被放置在有限的空间内，可访问性变得越来越重要。

如果需要维修开关设备、保护组件或连接点，工程师需要知道如何隔离该部分，以及如何在不干扰机架其他部分的情况下进行维修。

这可以从设计之初就影响母线、开关设备和电源接口的物理布局。

紧凑的布局可以减少空间需求，但不应造成不必要的服务限制。

机架是电源转换和服务器之间的连接桥梁。

电源架和服务器电源系统经常被分开讨论，但机架级配电将两者连接起来。

电力从机架发出，经过机架配电结构，最终到达为服务器电子设备供电的转换阶段。

在服务器层面，需求又有所不同。快速负载变化、电压调节、效率和电流纹波变得越来越重要，而功率电感器等磁性元件则成为下游转换阶段的一部分。

这就形成了一个连续的链条：

电源转换 → 机架分配 → 电源转换 → 服务器负载

这样看待这条链条，就更容易理解为什么一个部分的改变会影响另一个部分的需求。

机架电源路径中需要检查哪些方面？

在最终确定大功率机架架构之前，最好跟踪实际的电源路径并检查每个接口，而不是只查看单个组件的规格。

关键问题相对来说比较实际：

• 电源从哪里进入机架？
• 它是如何分配到不同负载上的？
• 哪些点的持续电流最大？
• 连接电阻会在哪些方面产生额外的热量？
• 哪些地方需要切换或隔离？
• 如何隔离下游故障？
• 相关部分是否可以安全进入进行维护？
• 所选元件是否符合实际电压、电流和温度条件？

这种方法还有助于发现单独评估各个组件时可能不会出现的问题。

电力分配需要设计成单路径

在高机架功率下，母线、连接、保护、开关和冷却系统实际上不能被视为独立的部件。

它们都沿着同一条电路路径工作。

改变配电电压会影响开关和绝缘要求。增加机架功率会改变连接点和导体周围的热环境。使布局更紧凑会影响维护便利性。

正是这些关系使得机架级电源分配成为电源架和服务器之间重要的工程层。