AI数据中心电力架构升级 高功率运算带动供电技术革新
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AI算力快速推升，单颗芯片功耗突破千瓦级，数据中心正面临电力效率、散热管理与供电韧性的多重压力。为协助产业掌握高功率电源技术发展，DIGITIMES于7月3日举办「2026电源论坛」，邀集产学研专家，探讨800V HVDC、SiC／GaN、热电整合、储能与万亿瓦级测试等议题。
当单颗AI芯片功耗突破千瓦级，电源供应器面对的已是瞬态响应、散热与高功率密度的综合考验。全汉企业善元科技研发资深经理刘彰员表示，新时代AI芯片TDP与机柜功率密度持续提高，电源供应器必须兼顾瞬态响应、宽温运作与高功率密度需求。面对AI GPU在微秒至毫秒间剧烈变化的负载特性，电源架构需透过多模式、多相式控制，以及SR Buck、LLC等设计提升反应能力。
他也指出，若要将数据中心PUE压低至1.15以下，除了液冷，PSU转换效率同样是关键。全汉布局SiC、GaN、图腾柱PFC、多相可相移LLC等技术，以及CRPS、Power Shelf、Power Module与800V HVDC产品，回应高密度AI运算对效率、热管理与可靠度的需求。
要让高密度AI机柜持续扩充，供电电压与功率半导体技术也必须同步升级。意法半导体工业电源暨能源技术方案中心总监周光祖表示，AI机柜功率将由数百千瓦持续朝500kW以上及MW级演进，2028年后甚至走向MW级与混合微电网架构。SiC与GaN可支持更高频率、更低损耗与更小型化设计，让CCM图腾柱PFC、三电平双向架构与高频LLC效率可望超过99%。
周光祖也提到，800V DC供电将朝800V转50V、12V甚至6V演进，ST已提出Open Rack PSU、M-CRPS、ORv3 5.5kW AI Server PSU与800V 16:1 HV DCDC Brick等方案，其中5.5kW PSU实测效率达97.8%，800V至50V模块效率则超过98%。800V HVDC与SiC、GaN元件，将成为AI数据中心降低能耗与提高密度的重要技术基础。
电压由48V提高至800V后，如何安全完成板卡插拔与故障隔离，成为新架构的重要课题。英飞凌资深主任工程师吴冠宏表示，次时代AI服务器将由AC/DC Sidecar供应800V DC，再转换至50V、12V或核心电压，因此板卡插拔时的预充电、放电、异常电流侦测与快速断开，会直接影响系统可靠度。
英飞凌提出12kW高压Hot Swap方案，并布局800V转50V、800V转12V等IBC模块；其中800V转50V采ISOP架构，6kW TDP下功率密度可达2482W/in³，且支持短时间峰值功率。全GaN半砖模块则整合控制器、闸极驱动、保护、热监控与辅助电源，另有48V转12V、50V转12.5V方案，回应AI服务器对高密度、低损耗电源链的需求。
除了提高配电电压，电力如何在有限板级空间内送达xPU，也牵动下一代供电架构。德州仪器Senior FAE蔡滨谦表示，AI机柜正由过去约5kW朝1MW演进，处理器数量与xPU电流需求快速增加，传统48V背板已面临导体尺寸与损耗限制，因此800V或±400V DC配电、垂直供电VPD、6V直接转换与48V光模块电源，成为新一代架构方向。
TI聚焦高压传感、高压隔离、GaN、功率磁性元件与Silicon FET，其中MagPack磁性整合技术可使效率提升逾2%，功率密度提高30%以上；整合式GaN Power Stage则能以更小面积提供更高功率。TI也展示800V转6V、20kW连续功率设计，并透过高相数电源模块、TLVR磁性架构与薄型模块，支持AI处理器、CPO光模块与高密度机柜。
架构升级能否真正节能，仍须回到电力从电网一路送达芯片端的完整损耗检视。台湾是德科技技术专案经理谢森雄表示，PUE只能衡量设施层级的能源开销，无法反映GPU、CPU与AI工作负载的实际运算效率，也难以捕捉瞬态波动、AC/DC与DC/DC转换损失，以及热点与冷却反应。以100MW输入数据中心估算，经过变压器、UPS、PDU、机架电源与GPU电压调节后，真正送达芯片端的可用功率可能只剩约78MW，超过两成能源在运算前已流失。
他强调，当效率优化进入1%以内，量测准确度、同步撷取与动态负载模拟便成为核心；若误差达1%，甚至可能掩盖99%效率系统的真实表现。Keysight因此以电网模拟、PHIL、反孤岛测试自动化与高精度量测，协助业者找出电力链中的隐性损耗。
高压电源进入运算托盘后，辅助电源也必须在数毫米高度内兼顾耐压、效率与元件数量。Power Integrations FAE蔡昇洋表示，NVIDIA Kyber Rack采800V BUS供电，可降低电流与导通损耗，但每个运算刀锋服务器仅约1/2U，扣除冷板与安全间距后，辅助电源高度只剩约8mm。
为此，PI提出35W、六组输出、8mm高的DER-1110，以及15W、单组输出、7mm高的DER-1114，两者均采InnoMux2-1700V GaN，可减少约30%元件数与PCB空间。InnoMux2整合1700V PowiGaN、控制器、保护功能与FluxLink回授，支持SR ZVS；35W方案在700至900VDC输入下满载效率超过87%，15W方案则以平板变压器与双面板达成7mm高度。GaN-on-Sapphire技术提供1700V耐压，也让800V Flyback辅助电源保有更充足的电压余裕。
当单柜功率推进至MW级，验证设备与实验室本身也要具备相应的供电、散热与同步能力。致茂电子产品副理蔡志元表示，MW级实验室需整合AC Source、DC Source与高速直流电子负载，并在建置前评估CFM风量、冷热通道、排风、空调负载与设备配置；若气冷不足，也可导入CDU与水冷背板。场域供电不足时，能源回收型负载可将测试能量回馈电网，稳态效率超过90%；混合型负载则兼具高Slew Rate与能量回收，适合EDPP动态测试。
Chroma电子负载可同步控制60台以上设备，总拉载功率逾1.44MW，硬件同步误差小于2微秒，再搭配低感量Busbar、定制化铜排与自动化测试，降低寄生电感、过冲与发热，并缩短Power Rack测试验证与报告产制时间。
从中压电网一路降至GPU核心电压，转换层级与机柜配置正因800V DC导入而重新调整。碇基半导体市场行销部FAE资深技术经理曾名祥表示，现行AC架构由中压电网经ATS、UPS、PDU与Power Shelf，再降至GPU所需低压，端到端效率约87.6%；导入800V DC后可提升至89.1%，未来若以SST直接衔接中压电网与800V汇流排，效率可望达92.1%。当AI服务器占用大部分机柜空间，Power Shelf、BBU与电容模块难以共置，In-Row Power Rack因此成为新配置。
曾名祥分析，SiC较适合高压前端转换，GaN则在机架级DC-DC、板级VRM与MHz级高频切换更具优势。碇基的Smart Discrete GaN整合驱动、保护与杂讯抑制，具备宽输入、可调闸极驱动、短路保护、Active Miller Clamp与热关断等功能，可降低GaN设计门槛，并应用于CRPS、电信电源与EV DC-DC等场景。
电源设计深入系统层级 安全、量测与韧性成为关键
对光通讯、数据转换器与精密仪测而言，供电品质的关键还包括微伏等级杂讯与快速负载响应。ADI产品应用经理赖育圣表示，Silent Switcher技术演进至第三代后，已由封装与EMI抑制，延伸至超低杂讯与快速负载反应；其中LT8625S在10Hz至100kHz带宽下整合杂讯仅3.5µVrms，优于一般低杂讯LDO，也保有切换式电源的效率。
以LT8627SP为例，在相同输入、输出与被动元件条件下，整合杂讯为6.5µVrms，传统Switcher则达112µVrms，时域涟波也由830µVpp降至57µVpp。赖育圣补充，低频杂讯难以单靠滤波器改善，因此ADI采Current Reference与unity gain feedback架构，避免回授分压放大杂讯，并可透过CSET电容进一步抑制。相关产品涵盖2A至16A Buck IC与µModule，锁定光模块、ADC/DAC、FPGA、显示与精密仪测等洁净电源需求。
电压与功率提升之后，保护设计也必须由元件级扩大为涵盖整条电力链的分层防护。Littelfuse应用工程技术经理刘志宏表示，未来数据中心将逐步导入±400V或800V DC直流侧挂式电源柜（Sidecar），甚至由固态变压器（SST）直接提供800V DC给HVDC服务器。面对高压、高功率密度环境，可靠防护需结合固态断路器、中压接触器、Crowbar与熔断器等多层机制，在异常发生时依序侦测、隔离与限制故障能量。
针对800V DC PDU，Littelfuse提出接触器、电流传感器与保险丝协同保护方案，并布局LVDC／HVDC Hot Swap、BBU／CBU低箝位TVS、RCM／GFCI接地故障监控与新一代Power Fuse，提升AI数据中心高功率供电的安全性与可维修性。
新架构能否落地，还取决于测试平台是否能重现高压母线、微秒级负载与低压大电流等实际条件。艾德克斯FAE产品应用工程师黄圣棻表示，AI机柜功率正由20kW提升至200kW以上，配电电压也从48V DC走向±400V甚至800V DC，供电、配电与散热系统都需重新验证。ITECH方案涵盖回馈式电网模拟器、双向直流电源、高动态大功率负载与超低压大电流负载，对应SST、Power Shelf、Power Rack及GPU板载DC-DC等场景。
其中IT8100E可扩展至4MW以上，电流斜率最高150A/µs、爬升时间低于8µs，并具1.5倍短时超载能力，降低EDPP测试设备成本。MW级平台的难点在多机并联后的同步、均流与抗干扰，ITECH以光纤并机支持最多510个节点，将模块同步误差控制在2µs内；IT8106E-60-2400则可在0.24V下承载2400A，支持VRM与POL低压大电流测试。
当电力取得与并网时程开始左右AIDC建置，储能与能源管理系统也从配套设备走向核心基础设施。熙特尔新能源事业中心副总经理詹军盛表示，全球数据中心用电将由2024年的415TWh增至2030年的945TWh，台湾AIDC与算力设施也可能形成GW级负载，电力可得性、变电容量与备援设计将直接影响建置时程。AIDC业主主要面临可靠供电、并网速度、低碳电力与储能调度四项门槛，因此BESS、HVDC BBU与EMS将用于平滑负载、削峰填谷、瞬时备援与电力品质管理。
熙特尔提出涵盖再生能源、储能、800V DC BBU、EMS、氢能与并联电网的整合方案，并以需求定义、系统设计、3MW高压测试、POC到量产维运作为导入流程；其中500kW／42U 800V HVDC BBU强调LFP电芯、高压保护、液冷与BMS／EMS维运，GridLink EMS则整合IT负载、冷却、配电与储能，让能源管理由被动量测走向主动调度，进一步改善PUE表现。
支撑高压、高功率密度架构的底层关键，最终仍落在功率元件的耐压、损耗与高温可靠度。清华大学电机工程学系教授黄智方表示，800V DC架构让系统在相近体积下承载更高功率，功率密度与热密度同步升高，宽能隙元件因此成为重要基础。SiC具备高耐压、高频与高温操作优势，6.5kV以上可由SiC IGBT、Thyristor等双极元件对应，中低压高频转换则由SiC MOSFET与GaN分工。
黄智方指出，SiC MOSFET正朝芯片缩小、晶圆放大与成本下降演进，已应用于EV逆变器、UPS与主动式前端AC/DC。对AI数据中心而言，功率元件还需同时评估导通电阻、耐压、安全操作区、切换损耗、驱动与拓扑；更高接面温度则可增加散热与系统设计余裕。SiC JFET／FET也可用于高压Hot Swap与断路器，强化高功率供电保护。
工业物联网与边缘AI扩大后，电源管理已由单纯供电，走向效率、安全、低功耗与系统可靠度整合。NXP资深行销经理陈筠仪表示，次时代智能电源需涵盖AC-DC转换、USB-C PD、功能安全、电源保护、PMIC与System Basis Chip，并依处理器与应用选择合适架构，缩短设计与验证时间。以TEA2356为例，该控制器支持Asymmetrical Half Bridge／Hybrid Flyback，具备高效率PFC、多模式操作、低THD、高功因、低负载最佳化与低待机功耗，并可透过GUI完成定制化设定。
工业与IoT系统中的PMIC则需兼顾高压输入、低功耗模式、输出监控与功能安全；NXP VR249X支持12V／24V输入，整合HV Buck、VCORE、Boost、LDO、VREF、Tracker与SPI，并具备失效安全状态机制（Fail Safe State Machine）、独立安全监控、ABIST与故障复原，可对应IEC 61508 SIL2硬件与SIL3系统能力，支持机器人、数据中心、工厂自动化、医疗与能源等场域。
千瓦级算力重塑电力架构 供应链加速系统整合
在焦点对谈中，工研院南分院智能产业推动与应用整合组专案组长黄建智，与清华大学电机信息学院电机工程学系教授黄智方、碇基半导体市场行销部FAE资深技术经理曾名祥，以「解码千瓦级算力防线：次时代功率半导体与热电一体化系统变革」为题展开讨论。黄建智指出，AI数据中心的电力议题已从服务器电源设计，延伸到机柜、数据中心与电网端；当GPU功耗逼近千瓦级，供电架构、电路保护、热管理与测试验证都必须同步调整。
黄智方分析，千瓦级算力对电源设计的压力，集中在效率提升、电流承载、电压等级与散热处理；SiC的优势在于高压、高功率与高温操作，但封装、晶粒接合、热阻与模块设计同样会影响可靠度。曾名祥则从GaN与Power Stage整合切入，指出AI服务器电源已不只是元件成本竞争，而是效率、体积、散热、保护与供应稳定性的整体方案竞争。两位与谈人也提醒，控制器、驱动器、功率开关与保护功能一体化后，台湾供应链需要更早串接元件、封装、热管理与系统验证，才能切入AI数据中心的高功率电力架构。
