傾佳電子AIDC數據中心的HVDC革命：市場需求、架構演進與碳化硅的崛起

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務于中國工業(yè)電源、電力電子設備和新能源汽車產業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數字化轉型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產SiC碳化硅模塊在電力電子應用中全面取代進口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產業(yè)升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個必然，勇立功率半導體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢！

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執(zhí)行摘要

傾佳電子深入剖析了在人工智能（AI）和高性能計算（HPC）浪潮驅動下，數據中心電源架構正在經歷的一場深刻變革。傾佳電子明確指出，傳統(tǒng)交流（AC）供電系統(tǒng)已無法滿足現代數據中心對能源效率和功率密度的極致追求，高壓直流（HVDC）技術正成為必然選擇。市場數據顯示，數據中心HVDC這一細分領域正以遠超傳統(tǒng)電網市場的速度爆發(fā)式增長。技術層面，電源架構正從傳統(tǒng)的AC模式，經歷380V HVDC的過渡，快速邁向更為高效的800V HVDC系統(tǒng)。傾佳電子的核心論點是，以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體技術，并非僅僅是對現有技術的改良，而是實現這一架構躍遷、并確保其經濟可行性的關鍵賦能技術。傾佳電子最后對數據中心電源基礎設施的未來格局進行了戰(zhàn)略展望，為行業(yè)參與者提供了前瞻性建議。

第一部分：數據中心HVDC電源系統(tǒng)的全球市場分析

1.1. 市場規(guī)模與增長預測：兩條迥異的增長曲線

全球高壓直流（HVDC）輸電市場本身已具備相當規(guī)模，其應用主要集中于大規(guī)模電網互聯(lián)和可再生能源并網。市場數據顯示，2024年全球HVDC輸電系統(tǒng)市場價值約為109.4億美元，預計在未來十年內將以6.65%至9.18%的復合年增長率（CAGR）穩(wěn)步增長，到2033年市場規(guī)模有望超過246.4億美元 。

然而，一個更為引人注目的趨勢發(fā)生在數據中心這一特定應用領域。盡管其絕對市場規(guī)模尚不及前者，但其增長速度卻異常迅猛。2024年，專用于數據中心的HVDC系統(tǒng)市場規(guī)模為24億美元，但預計到2033年將飆升至81億美元，其復合年增長率高達15.1% 。

這兩條增長曲線的顯著差異揭示了一個重要的市場動態(tài)：盡管兩者共享相似的核心技術，但其背后的驅動力截然不同。通用HVDC市場的發(fā)展節(jié)奏與大型基礎設施項目同步，這些項目（如跨國電網穩(wěn)定工程、大規(guī)模海上風電場并網）的規(guī)劃和建設周期長達數年甚至數十年，主要受國家級能源政策和長期戰(zhàn)略的引導 。相比之下，數據中心HVDC市場的增長源于一種更為緊迫的“危機驅動”模式。AI和HPC工作負載的指數級增長，使得數據中心的功耗急劇攀升，傳統(tǒng)電源架構在物理空間、能源效率和運營成本方面已捉襟見肘 。這種由技術快速迭代（AI硬件更新周期僅為12-15個月）所引發(fā)的“市場拉動”效應，迫使超大規(guī)模數據中心運營商和云服務商必須迅速采用HVDC技術，以維持其業(yè)務的競爭力和經濟可行性。因此，數據中心領域已成為HVDC技術一個獨特、高價值且發(fā)展迅猛的子市場。

1.2. 核心增長驅動力：AI功耗引發(fā)的經濟必然性

數據中心向HVDC架構的遷移，本質上是由AI時代嚴峻的功耗挑戰(zhàn)和對極致經濟效益的追求共同推動的。

AI功耗的倒逼機制：AI和HPC的崛起，正將單個機柜的功率密度從傳統(tǒng)的5-10 kW推向超過100 kW的水平，而未來的設計目標更是瞄準了800 kW乃至1 MW的超高密度機柜 。國際能源署預測，全球數據中心的電力消耗將從2024年的415 TWh激增至2030年的945 TWh 。在如此高的功率密度下，傳統(tǒng)的AC配電方案因電流過高而導致的物理限制和經濟性問題變得不可逾越，轉向更高電壓的直流配電成為唯一可行的技術路徑。

對能源效率（PUE）的極致追求：HVDC架構通過精簡供電鏈路，消除了傳統(tǒng)AC方案中存在的多次AC-DC和DC-AC轉換環(huán)節(jié)，從而直接提升了能源效率。研究和實踐表明，一個380V的HVDC系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的AC系統(tǒng)，可以實現7-8%的端到端效率增益 。對于動輒消耗數百兆瓦電力的超大規(guī)模數據中心而言，這意味著每年可節(jié)省數百萬美元的電費支出。

總擁有成本（TCO）與可靠性的雙重優(yōu)化：HVDC系統(tǒng)簡化了電源拓撲，移除了諸如相位平衡、復雜的UPS系統(tǒng)等潛在故障點，從而使供電可靠性提升近一倍 。同時，更少的電源轉換設備也意味著所需物理空間減少了約三分之一，為數據中心節(jié)省了寶貴的機房面積（資本支出，CapEx）。NVIDIA公司宣稱其800V HVDC架構可將維護成本降低高達70%，進一步優(yōu)化了總擁有成本 。

1.3. 區(qū)域市場分析與發(fā)展機遇

全球數據中心HVDC市場的增長呈現出鮮明的地域特征，主要市場集中在技術領先和數字化進程迅速的地區(qū)。

北美市場：作為當前全球最大的市場，北美地區(qū)匯集了全球最多的超大規(guī)模數據中心，并且是先進電力基礎設施的早期采納者 。美國能源部等政府機構對電壓源換流器（VSC）等關鍵技術的資金支持，進一步鞏固了該地區(qū)的技術領先地位和市場增長動力 。

亞太市場：亞太地區(qū)是全球增長最快的市場。中國和印度等國家正在經歷快速的數字化轉型，對云基礎設施的巨大投資，以及政府層面推動節(jié)能減排的政策，共同為HVDC在數據中心的應用創(chuàng)造了廣闊的市場空間 。

歐洲市場：作為全球第二大市場，歐洲在推動能源領域脫碳、促進跨國電網融合以及設定積極的可再生能源目標方面走在前列。這種宏觀環(huán)境為HVDC技術的創(chuàng)新和應用提供了肥沃的土壤，使其在數據中心領域的部署同樣保持強勁勢頭 。

第二部分：數據中心電源架構的演進之路

2.1. 從集中式AC到分布式HVDC的范式轉移

數據中心供電架構的演進，是一條不斷追求更高效率、更高可靠性和更高密度的路徑。

傳統(tǒng)AC架構：傳統(tǒng)數據中心的供電鏈路冗長而復雜，市電通常需要經過變壓器、不間斷電源（UPS）進行AC-DC-AC轉換，再通過配電單元（PDU）分配至服務器機柜，最后由服務器自帶的電源供應單元（PSU）完成最終的AC-DC轉換。每一個轉換環(huán)節(jié)都會產生能量損失，導致整個系統(tǒng)的端到端效率損失通常在10%到20%之間 。

380V HVDC架構：作為向全直流架構演進的重要一步，380V HVDC系統(tǒng)極大地簡化了供電鏈路。該架構通常在數據中心前端設置一個高效的AC-DC整流級，將市電直接轉換為380V直流電。隨后，該直流電被直接分配到服務器機柜，由服務器PSU進行一次DC-DC降壓轉換即可為IT設備供電 。這一架構得到了歐洲電信標準協(xié)會ETSI EN 300 132-3等國際標準的規(guī)范，其定義的標稱電壓為380V，正常工作電壓范圍為260V至400V 。通過消除多個轉換級，380V HVDC架構顯著提升了系統(tǒng)效率和可靠性 。

2.2. 邁向800V：為兆瓦級AI機柜供電

隨著AI機柜功率密度向兆瓦級邁進，380V HVDC架構也開始面臨瓶頸，推動了向更高電壓等級——800V的躍遷。

物理定律的驅動：根據電功率公式 P=V×I，在功率（P）急劇增加的情況下，維持較低的電壓（V）意味著電流（I）將變得極其巨大。過高的電流不僅會導致電纜和母線排（Busbar）的 I2R 阻性損耗急劇增加，還需要使用更粗、更昂貴的銅材。將電壓提升至800V（或±400V），可在傳輸相同功率時將電流減半，從而將銅材需求量減少高達45%，并大幅降低配電損耗 。

兩種主流的800V架構路線：

OCP ±400V雙極混合架構（Mt. Diablo項目）：這是由開放計算項目（OCP）推動的一種過渡性策略。該架構保留了數據中心內480V的AC主干網絡，僅在獨立的電源機柜處將AC電轉換為±400V DC，再分配給服務器機柜。這種混合架構技術相對成熟，部署靈活，但其效率低于端到端的全直流系統(tǒng) 。

NVIDIA 800V單極直流架構：這是一種更為徹底的端到端直流方案。在該架構中，來自電網的中高壓AC電在變電站級別就通過固態(tài)變壓器（SST）直接轉換為800V DC，然后直接供給支持800V原生輸入的服務器。該架構通過最大限度地減少轉換環(huán)節(jié)，可實現高達5%的端到端能效提升，并簡化了電源管理 。

固態(tài)變壓器（SST）的戰(zhàn)略性角色：固態(tài)變壓器是實現未來全直流數據中心愿景的核心使能技術。它不僅僅是一個元器件，更是連接高壓AC電網與數據中心內部HVDC配電網的關鍵橋梁。傳統(tǒng)工頻（50/60 Hz）變壓器體積龐大、效率低下，而基于電力電子技術的SST工作在極高的頻率，使其體積、重量和損耗都遠小于傳統(tǒng)變壓器 。更重要的是，SST可以在一個緊湊的單元內完成AC-AC、AC-DC或DC-DC的變換。在NVIDIA的架構中，SST直接將輸入的中壓AC整流為800V DC，一步取代了傳統(tǒng)方案中的2到3個轉換級 。這使得SST成為實現最高端到端效率和功率密度，以及無縫集成直流可再生能源或儲能系統(tǒng)的關鍵技術。

2.3. HVDC電源變換的關鍵拓撲技術

HVDC架構的實現依賴于高效的電力電子變換器拓撲。

DC-DC變換（中間總線轉換）：為了將800V的高壓總線降至服務器主板所需的電壓（如48V），LLC（電感-電感-電容）諧振變換器是目前的主流拓撲。當工作在諧振頻率點時，LLC變換器如同一個直流變壓器（DCX），通過實現零電壓開關（ZVS），能夠達到超過98%的極高轉換效率 。為了處理800V的輸入，常見的架構是將兩個400V輸入的LLC級串聯(lián)，這種模塊化設計展示了良好的可擴展性 。

第三部分：碳化硅（SiC）器件的關鍵作用

如果說HVDC為數據中心電源架構指明了方向，那么碳化硅（SiC）器件就是鋪就這條道路的基石。SiC的卓越物理特性使其成為實現高效、高密度HVDC電源的必然選擇。

3.1. SiC相較于傳統(tǒng)硅（Si）的根本優(yōu)勢

SiC作為一種寬禁帶半導體材料，其性能遠超傳統(tǒng)硅基器件。

寬禁帶寬度：SiC的禁帶寬度為3.26 eV，幾乎是硅（1.12 eV）的三倍。這使其能夠承受十倍于硅的擊穿電場強度，非常適合高壓應用。同時，更寬的禁帶也意味著SiC器件能在超過200 °C的高溫下穩(wěn)定工作 。

高熱導率：SiC的熱導率是硅的三倍以上，能夠更有效地將器件產生的熱量導出。這極大地降低了對散熱系統(tǒng)的要求，有助于減小系統(tǒng)體積、重量和成本 。

優(yōu)異的開關特性：與硅基MOSFET和IGBT相比，SiC MOSFET的開關損耗極低，并且其體二極管的反向恢復電荷（Qrr?）幾乎為零。這一特性使其能夠工作在數倍于硅器件的開關頻率下，同時保持高效率 。

3.2. SiC：先進電源拓撲的核心賦能技術

SiC器件的出現，使得許多在理論上高效但在實踐中難以用硅器件實現的先進拓撲成為可能。

解鎖圖騰柱PFC的全部潛力：CCM模式下的圖騰柱PFC拓撲雖然理論效率極高，但對于傳統(tǒng)硅MOSFET而言卻是一個“陷阱”。硅MOSFET的體二極管存在嚴重的反向恢復問題，當其作為同步整流管在高頻開關時，巨大的反向恢復電流會產生極高的開關損耗，甚至導致器件損壞，這使得CCM模式在實踐中幾乎不可行 。而SiC MOSFET的體二極管反向恢復幾乎為零，從根本上消除了這一瓶頸。這使得圖騰柱PFC可以在CCM模式下安全、高效地運行。因此，SiC并非簡單的性能提升，而是解鎖圖騰柱PFC拓撲實現超過99%效率的關鍵技術，這對滿足“80 PLUS鈦金”及未來更嚴苛的能效標準至關重要 。

賦能高頻高密度LLC變換器：在高壓LLC變換器中，SiC器件的高效高頻開關能力允許設計者大幅縮小磁性元件（變壓器、電感）和電容的尺寸。這直接帶來了功率密度（單位體積內的功率，W/in3）的顯著提升，對于在有限的服務器和機柜空間內容納數千瓦的電源至關重要 。

3.3. 對數據中心系統(tǒng)層面的量化影響

SiC技術的應用為數據中心帶來了實實在在的經濟和性能效益。

效率提升與運營成本（OpEx）降低：通過在PFC級實現超過99%、在DC-DC級實現超過98%的效率，基于SiC的電源系統(tǒng)大幅減少了能源浪費。據估算，一個數據中心若用GaN/SiC電源替代傳統(tǒng)硅電源，每10 MW負載每年可節(jié)省數百萬美元的電費和冷卻成本 。

功率密度提升與資本支出（CapEx）優(yōu)化：更高的功率密度意味著每個機柜可以容納更多的計算單元，或者在同等算力下占用更小的數據中心面積。此外，SiC電源模塊本身更緊湊，所需散熱器更小，從而降低了整個系統(tǒng)的尺寸、重量和物料成本 。

可靠性增強：SiC器件優(yōu)異的高溫性能和堅固性，使其構建的電源系統(tǒng)更加耐用，故障率更低。這不僅減少了維護成本，更重要的是保障了數據中心業(yè)務的連續(xù)性和穩(wěn)定性 。

第四部分：性能分析與元器件級案例研究

4.1. 1200V功率模塊性能基準測試

為了將理論優(yōu)勢轉化為可量化的性能指標，本節(jié)對一款主流的1200V SiC功率模塊——基本半導體的BMF240R12E2G3——與其競品在模擬高壓直流變換器實際工況下的性能進行對比分析。以下數據來源于在結溫 Tj?=125°C、母線電壓 VDC?=800V、負載電流 ID?=400A 的嚴苛條件下的雙脈沖測試結果 。

表 4.1：HVDC變換器用1200V功率模塊性能對比分析

數據分析： 從上表數據可以看出，基本半導體的BMF240R12E2G3模塊在總開關損耗（Etotal?）方面表現出明顯優(yōu)勢，比競品W低約23%，比競品I低約14%。這一優(yōu)勢主要得益于其顯著更低的關斷損耗（Eoff?）。在決定高頻變換器效率的關鍵指標上，更低的總開關損耗意味著在相同工作頻率下能效更高，或在同等效率要求下可以工作在更高頻率以提升功率密度。

此外，該模塊在高溫下具有更高的閾值電壓（VGS(th)?），這提供了更強的抗噪聲干擾能力，降低了在高速開關過程中因米勒效應引發(fā)的寄生導通風險，對系統(tǒng)可靠性至關重要。其內部二極管在續(xù)流期間的正向壓降（VSD?）也顯著低于競品，這意味著在開關死區(qū)時間內的導通損耗更小。

4.2. HVDC系統(tǒng)元器件選型指南

基于基本半導體的產品組合，可以為典型的數據中心HVDC電源架構提供一套完整的SiC器件解決方案 。

圖騰柱PFC級：

高頻橋臂：需要高速開關的橋臂，可選用1200V SiC MOSFET分立器件，如B3M040120Z或B2M030120Z，它們具有低開關損耗和強大的體二極管性能 。

工頻橋臂：工作在電網頻率下的橋臂，雖然可以使用成本較低的硅基超級結MOSFET，但為了實現極致效率，可采用SiC肖特基二極管（如B3D20120H）來消除反向恢復損耗 。

LLC DC-DC級：

原邊半橋：對于800V輸入，通常采用兩個400V級串聯(lián)的架構，但使用1200V額定電壓的器件可提供更高的安全裕量。大電流、低導通電阻的功率模塊，如BMF240R12E2G3（1200V, 5.5 mΩ）或BMF008MR12E2G3（1200V, 8.1 mΩ），是原邊半橋的理想選擇 。

副邊整流：根據輸出電壓，通常使用低壓SiC肖特基二極管（如650V的B3D40065H）或采用低壓硅MOSFET進行同步整流 。

4.3. 設計與實施考量

先進封裝與熱管理：SiC優(yōu)異的熱導率需要高效的散熱路徑才能發(fā)揮作用。在功率模塊中采用高性能的氮化硅（Si3?N4?）AMB陶瓷基板和銅基板至關重要。Si3?N4?相比傳統(tǒng)的氧化鋁（Al2?O3?）基板具有更好的熱導率，相比氮化鋁（AlN）基板則擁有更強的機械堅固性，使其成為高可靠性SiC模塊的首選材料 。

柵極驅動：SiC MOSFET對柵極驅動電路的要求極為嚴苛。必須精確提供推薦的驅動電壓（例如，基本半導體模塊推薦的+18V/-4V），以確保器件完全導通（獲得最低的RDS(on)?）并可靠關斷。集成了隔離、保護和米勒鉗位等功能的專用柵極驅動芯片（如基本半導體的BTD系列）是保證SiC系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的關鍵 。

第五部分：戰(zhàn)略展望與建議

5.1. 核心發(fā)現：AI、HVDC與SiC的共生加速

傾佳電子的核心結論是：AI的算力需求正在加速數據中心向HVDC架構的遷移，而HVDC架構的全部潛力則依賴于SiC技術的賦能。這并非一個簡單的線性發(fā)展過程，而是一個共生演進的加速循環(huán)：系統(tǒng)級的需求（更高功率、更高效率）驅動了元器件級的創(chuàng)新（SiC器件），而元器件級的能力突破（更高頻率、更低損耗）又反過來催生了全新的系統(tǒng)級架構（800V HVDC、SST）。

5.2. 未來軌跡：超越800V

展望未來，數據中心的供電技術將朝著從電網到芯片的完全端到端直流化方向發(fā)展，固態(tài)變壓器和高度集成的智能功率模塊將是這一愿景的基石 。

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務聚焦三大方向：
新能源：覆蓋光伏、儲能、充電基礎設施；
交通電動化：服務新能源汽車三電系統(tǒng)（電控、電池、電機）及高壓平臺升級；
數字化轉型：支持AI算力電源、數據中心等新型電力電子應用。
公司以“推動國產SiC替代進口、加速能源低碳轉型”為使命，響應國家“雙碳”政策（碳達峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。
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5.3. 戰(zhàn)略建議

致數據中心運營商：對于所有新建的以AI為核心的數據中心，應將向800V HVDC架構的過渡作為戰(zhàn)略規(guī)劃的重點。在進行投資決策時，應采用全面的總擁有成本（TCO）模型，該模型不僅要考慮SiC系統(tǒng)較高的初始資本支出，更要量化其在能源效率和冷卻方面帶來的巨大長期運營成本節(jié)省。

致電源系統(tǒng)設計商：為滿足下一代能效標準（如80 PLUS鈦金級及更高）和功率密度目標，應優(yōu)先采用基于SiC的設計方案，尤其是在PFC和高壓DC-DC級。同時，加大對SiC柵極驅動技術和先進熱管理方案的研發(fā)投入，以充分發(fā)揮SiC器件的性能潛力，確保系統(tǒng)的高性能與高可靠性。

致半導體制造商：研發(fā)重點應持續(xù)聚焦于降低器件的關鍵性能指標，如導通電阻（RDS(on)?）和開關損耗（Eon?/Eoff?），同時不斷提升器件的長期可靠性（如柵氧層穩(wěn)定性、短路耐受能力）。開發(fā)集成了驅動、保護和先進散熱方案的高度集成化功率模塊，將是簡化客戶設計、提升產品附加值的關鍵方向。如基本半導體的產品策略所示，提供覆蓋分立器件、功率模塊到驅動芯片的完整產品線，能夠為客戶在整個功率變換鏈上提供全面的解決方案，從而構筑強大的市場競爭力 。

審核編輯 黃宇