从中压到芯片：AI 工厂电源架构的分层重构

AI 工厂的供电架构正在沿两条轴线变化：提高长距离配电电压，降低铜材和电流压力；把变换、储能与保护组织成能够共同响应负载的系统。800 V 母线只是其中一层。技术规划真正需要确定的是，中压输入在哪一级完成隔离，直流配电延伸到机房、机架还是计算托盘，以及每个故障域由哪一组电源和储能保持运行。这些选择共同决定从电网入口到芯片的效率、功率密度和可维护性。S018 pp. 23–31

从中压入口重建电力路径#

保留交流设施的路径是：中压交流经过工频变压器降到低压交流，经配电设备送到机架 PSU，再变换成约 50 V 的直流母线；托盘上的中间总线变换器继续降压，末级 VRM 向芯片提供低于 1 V 的电源。提高直流配电电压后，前级 AC/DC 可以移到侧柜或设施电源节点，800 V 或 ±400 V 经直流母线送到机架，再由隔离 DC/DC 转成 50 V，继续使用既有托盘。另一条路径把高压直流送到每个托盘，在托盘内完成隔离与降压。S021 p. 10 S018 pp. 166–172

SST 把中压变换与直流输出组合成另一种设施入口。2026 年的 SST 草案列出 13.8 kV 输入、5 MW 输出，以及 34.5 kV 输入、5 MW 或 10 MW 输出的配置，输出采用标称 800 V 单极直流。它的产品边界同时包括功率变换、输入开关与滤波、输出开关与端接、控制通信和辅助电源。把这几个部分视为整体，才能讨论设备停机后控制器是否仍然可见、输出故障如何隔离，以及储能如何接替功率。S026 pp. 8–10

下图的上下两条支路解释了混合供电的基本形态。沿上支路看，中压经过 SST 形成 L+／L− 直流配电；下支路继续由工频变压器提供低压交流。两种负载体系可以共用设施规划，同时拥有各自的变换设备和保护边界。

原图节选：S018，物理第 29 页，Figure 4.4。SST 用于直流配电、变压器用于交流配电的架构示例。

LVDC 初版已经提出分阶段迁移：先使 IT 机架获得直流供电，再把相关冷却和网络设备纳入，最后扩大到设施负载。1.1.0 版进一步把隔离位置、配电冗余和机架接口展开。对于已有数据中心，第一阶段允许建筑设施继续使用交流；对于新建园区，SST 靠近负载还是集中布置，会改变中压与低压直流各自的输送距离。S016 pp. 20–26 S018 pp. 25–31

电压提高后，铜和电流的约束如何移动#

直流配电的基本关系为 $I=P/V$。以理想的 100 kW 恒功率负载作数量级计算，50 V 需要 2,000 A，800 V 需要 125 A。这解释了高压配电为何能减轻母线截面、连接器和布线空间的压力。若仅固定相同回路电阻 $R$，电阻损耗满足 $P_{\mathrm{loss}}=I^2R$，电流缩小到十六分之一，对应这一项损耗缩小到二百五十六分之一。这里固定电阻的计算用于解释机制；实际设计会重新选择导体截面、线路长度和散热条件，铜材与损耗之间形成新的折中。LVDC 的极性比较也把导体数量、材料、相对电流和线路损耗分别列为设计变量。S018 pp. 105–106

低压端的电流压力仍然存在。ORv3 的电源框将功率汇入 49–50 V 母线，其 2,000 A 输出接口规定直流电阻目标为 20 µΩ，对应 2,000 A 下 40 mV 压降。依此算得的 80 W 是接口电阻项的示意耗散。随着功率提升，微欧级接触状态、接触面温度和机械可靠性成为系统约束，机架里的铜材成本也会推动隔离 DC/DC 从集中电源框进一步向托盘移动。S020 p. 5 S018 pp. 168–172

提高电压同时扩大了器件耐压、绝缘和保护的工作范围。±400 V 三线体系允许负载接在线间或极与中点之间，中点导体的电流取决于两极负载不平衡；没有分布中点的双极体系只提供完整线间电压。接地方式还决定了故障后导体对地电压和绝缘要求。因而“800 V”需要与单极／双极、是否分布中点、隔离边界和接地方式一起进入架构规格。S018 pp. 80–96

隔离位置把转换效率与产品复用联系起来#

在机架入口设置隔离 DC/DC，可以保留成熟的 50 V 母线与托盘生态。较大的电源框也能容纳输入滤波、浪涌保护和保持电容，对设施端更宽的电压范围进行适配。代价是占用机架空间并产生这一层变换损耗。将高压直流直接送入托盘则缩短了低压大电流路径，每个托盘需要具备高压连接、预充、热插拔、隔离变换和遥测能力。加强绝缘还应覆盖辅助变换器与跨隔离控制、检测通道。S018 pp. 166–181

这使设施电源和板级电源之间出现明确的技术依赖。输入电压范围越窄，固定变比 DCX 越容易围绕高效工作点设计；输入电压范围、母线跌落和线路寄生越大，保持、稳压和保护就需要承担更多工作。Renesas 提出的 800 V→48 V 架构采用模块串并联和 LLC DCX，把精确稳压交给下游电源级；LVDC 的转换电源框则提供适配不同配电电压范围的空间。两者分别从变换器与设施接口解释了同一个条件：前后级必须对电压窗口和动态响应作共同约定。S027 pp. 9–14 S018 pp. 168–174

可用性由故障域与恢复过程共同形成#

电源模块数量提供了冗余资源，母线与开关决定这些资源能否到达负载。Catcher 备用拓扑中，备用节点保持带电并在主节点故障后承担负载；动态冗余中，各节点在正常运行时共同分担功率。两者对转换器利用率、切换、瞬时承载和恢复过程提出不同要求。LVDC 的备用母线示例能覆盖电源节点的故障和维护，但机架行母线本身仍需要单独考虑。S018 pp. 24–25, 37–38, 44–46

例如，在四套电源支持三份负载的设计中，正常分担功率和某一节点退出后的功率分布并不相同。双母线与机架侧切换可以改善退出后的负载分配，也引入更多接口、控制条件和故障隔离要求。工程上应先明确哪些设备可同时退出、健康支路需要维持多久，再确定模块冗余、母线分段、切换以及储能位置。靠近负载的储能能够绕过更多上游故障点；连接在 SST 上游的备用能源仍依赖 SST 保持健康。S018 pp. 44–49

恢复同样消耗容量。大规模电源同时重启可能形成输入冲击，GPU 同时恢复负载会抬高功率爬坡。12 kW PSU 因此规定电源框之间随机延迟、框内模块同步启动；设施 SOO 则把母线预充、机架分批接入、冷却允许条件和储能再充电组合起来。可用性评审需要覆盖这些状态变化，故障清除后的恢复功率也应进入容量预算。S021 pp. 21–23 S018 pp. 194–200

可靠性计算还需要把故障概率与修复过程分开。模块发生故障后，备件是否到位、是否允许在线更换、换件期间还有多少冗余，都会改变暴露时间。LVDC 对可靠性、MTBF、MTTR 与可用性分别定义，并使用备用与动态拓扑说明修复期的影响。技术规划由此应把设备供应、维修分界和恢复测试写入架构条件，现场能够快速替换的小模块，与需要停机处理的大型功率节点应采用不同的维护预算。S018 pp. 23–25, 34–38

用 PCE 对齐容量规划，再用动态测试验证电力路径#

Power Compute Effectiveness 的定义为 $\mathrm{PCE}=P_{\mathrm{IT,prov}}/P_{\mathrm{facility,prov}}$，其中 IT 可用配置容量由设施配置容量减去制冷与排热电功率、电力变换配电损耗、其他辅助负载得到。它要求同时声明设施边界和冗余基准，适合把架构变化翻译成“能够分给 IT 的 MW”。内部服务器 PSU 损耗是否计入，需要随计算边界明确。S019 pp. 8–13

PCE 白皮书的 20 MW 组合示例将 4.8 MW 分给冷却排热、0.7 MW 分给电力损耗、0.4 MW 分给辅助负载，剩余 IT 配置容量为 14.1 MW，PCE 为 0.705。这个算例揭示了规划表中各项资源如何挤占计算容量。SST 的高效目标、降低配电电流和改善冷却系统，会通过各自的设备曲线与配置条件进入这张表；瞬态电压、选择性与穿越能力则需要对应的波形和状态测试来验证。S019 pp. 16–18 S026 pp. 10–14

相同容量边界还应延伸到冷却系统。LVDC 的第二阶段把相关 CDU、网络和 IT 纳入一个直流供电模块；运行控制章节则要求冷却流量、阀门状态、供液温度和排热路径满足条件后，才能接入高密度机架。这样，电力冗余与冷却冗余会在负载准入处汇合：某个电源域保持有电，还需要相应冷却域持续工作，才能保持计算能力。S018 pp. 30, 196

据此，一套可评审的电源架构应当同时呈现单线电力路径、隔离与故障域、配置容量，以及分层响应和恢复条件。后续的高压直流变换展开变换级内部机制，机架电源系统讨论接口与模块协同，电力动态将容量规划推进到负载阶跃、母线阻抗和电网穿越。