800VDC 如何改变人工智能数据中心的配电方式

人工智能计算正在改变数据中心的电气架构。

随着加速器性能和机架功率的不断提升，通过传统配电方式输送更多电力变得越来越困难。相同电压下更高的功率意味着更大的电流，这将直接影响导体、母线、连接器、转换设备、散热管理和保护组件。

这也是高压直流架构受到更多关注的原因之一。

在为下一代人工智能基础设施开发的众多方案中，800VDC 供电正逐渐成为重要的架构方向。NVIDIA 已公开概述了面向未来人工智能工厂的 800VDC 架构，描述了从传统的交流供电向更靠近计算负载的高压直流供电的过渡。

这种转变不仅仅是标称电压的变化，它还改变了整个数据中心内电力转换、分配、切换和保护的方式。

为什么人工智能电源架构正朝着更高电压直流电的方向发展

功率、电压和电流之间的基本关系非常简单：

P = V × I

在功率水平相同的情况下，提高配电电压可以降低所需的电流。

例如，在 400 V 电压下输送 800 kW 的功率大约需要 2,000 A 的电流，而在 800 V 电压下输送相同功率的功率大约需要 1,000 A 的电流，这还不包括系统损耗和实际运行条件。

电流降低会对高功率基础设施产生重要影响。

它可以减小所需的导体横截面积，并有助于控制电阻损耗。它还可以减小高电流分配路径的物理尺寸和相关的热负荷。

随着人工智能机架功率向远高于传统企业数据中心的水平迈进，这一点变得越来越重要。

因此，目标并非仅仅是提高电压。更重要的工程目标是在保证电气效率、物理可扩展性、热性能和系统可靠性的前提下，实现高功率输出。

从传统交流配电到高压直流配电

传统数据中心电源系统通常依赖于公用电力和IT设备之间的多级转换。

简化后的路径可能包括：

市电交流电 → 交流配电 → 电源转换 → 机架级电源转换 → 服务器负载

每个转换阶段都会产生电力损耗，并且需要额外的设备。

对于高密度人工智能基础设施而言，这些转换阶段的数量和位置变得越来越重要。

800VDC架构可以将更高电压的直流配电装置移至更靠近计算设备的位置：

公用/设施电源 → 交流电转 800VDC 转换 → 800VDC 配电 → 机架级转换 → 人工智能计算负载

具体架构将因设施和设备平台而异。现有数据中心也可能采用混合方案，而不是更换整个电力基础设施。

这意味着向 800VDC 的过渡应该被视为架构的演变，而不是单一的设备升级。

800VDC 如何改变电源路径

高压直流电会改变电路中的几个部分。

1. 相同功率下电流更低

最直接的影响是电流减小。

在功率需求固定的情况下，电压加倍大约会使电流减半。这有助于减轻导体、连接器和配电结构的电气负荷。

对于大型人工智能设施而言，通过电力路径输送的功率可能达到数百千瓦甚至更多，这种差异就变得非常显著。

2. 不同的分销要求

在数据中心输送高压直流电对配电设备提出了新的要求。

导体、母线、连接器、开关装置和保护元件都必须适用于实际的直流电压和电流条件。

电气间距、绝缘系统、热设计和安装环境也成为重要的考虑因素。

因此，高电压配电并不只是意味着使用额定电压更高的相同元件。

3. 更少的转化阶段

高压直流架构背后的主要动机之一是简化功率转换路径的潜力。

减少不必要的转换级数可以减少累积转换损耗，并有助于提高功率密度。

然而，这并不能消除直流-直流转换。

AI 服务器和加速器仍然需要严格控制的电压轨，因此电源架构需要管理从高压配电到计算设备所需较低电压的过渡。

因此，这些转换阶段的位置和效率成为整体架构的重要组成部分。

高压直流元件的新要求

与低压配电系统相比，800VDC系统为电气元件创造了不同的工作条件。

需要根据实际电路来评估元件要求，而不仅仅根据标称电压。

需要考虑的重要因素包括：

• 连续工作电压
• 连续电流和峰值电流
• 直流开关条件
• 故障电流
• 破除能力
• 电气隔离要求
• 热力条件
• 开关频率
• 电气耐久性
• 安装和爬电距离/净空要求

这些因素对于开关和保护元件而言尤为重要。

例如，在正常运行、维护或故障处理期间，可能需要使用直流接触器来连接或隔离高压直流电路。

直流保险丝可用于在电源路径的适当位置提供过电流保护。

因此，最终的元件选择应基于特定系统的电气特性和运行条件。

切换和隔离变得越来越重要

高压直流配电也改变了对电路隔离的要求。

与交流系统不同，直流电流并非在每个周期内都自然地经过零电流点。因此，中断直流电流需要使用专门针对相关电压、电流和开关条件设计的元件。

对于高功率人工智能基础设施，电气架构中的不同位置可能需要开关设备。

根据系统设计，这些可能包括：

• 主直流配电
• 电源转换接口
• 机架级电源路径
• 储能接口
• 维护隔离点
• 紧急停机电路

这些切换点的目的不仅在于控制正常的电力流动，还可以支持系统隔离和维护程序。

随着电源架构变得更加分散，明确定义的隔离点可以帮助工程师管理各个部分，而不会对系统的其他部分造成不必要的影响。

保护必须遵循新的架构

高压配电也会改变保护要求。

保护装置需要在电路实际工况下切断异常电流。额定电压和电流只是出发点。

对于 800VDC 电源路径，工程师可能需要考虑以下因素：

• 可用短路电流
• 直流分断要求
• 故障清除时间
• 防护装置之间的协调
• 正常工作电流
• 峰值和瞬态条件
• 热环境
• 安装位置

防护措施也应与架构相协调。

安装在电源转换级附近的保险丝可能与安装在机架级分支电路上的保护装置的要求不同。

同样，用于受控开关的直流接触器，根据负载和开关工作情况的不同，可能具有不同的电气耐久性要求。

随着人工智能电源系统向更高功率密度发展，这种系统级方法变得越来越重要。

电感器在高功率直流转换中的作用

高压配电并不能取代电力转换。

800VDC 到达相应的配电点后，可能仍然需要进行 DC-DC 转换，以提供下游电力系统所需的电压等级。

电感器是许多开关功率转换电路中的重要无源元件。

它们的电气特性会影响电流纹波、能量存储、滤波和转换器性能。

在高功率水平下，电感器的设计也与热性能、磁损耗、饱和特性和物理尺寸密切相关。

因此，向更高电压直流电的转变不仅增加了对高压开关和保护元件的需求，也对整个转换过程中使用的无源元件提出了新的要求。

800VDC 对 AI 数据中心电源设计意味着什么

向 800VDC 的转变从根本上来说是为了应对人工智能计算日益增长的功率密度。

与其简单地扩展现有的低压配电系统来处理更大的电流，不如采用更高电压的直流架构来解决与下一代人工智能基础设施相关的电气和物理限制问题。

主要设计变更可概括如下：