方案 | 800V高压直流供电赋能AI数据中心：意法半导体如何将12kW功率压缩至智能手机尺寸供电板

意法半导体（ST）是英伟达800V机架内配电新倡议的核心合作伙伴。

该倡议依赖于ST高密度供电板（PBD）对12kW功率的微型化实现。凭借在碳化硅和氮化镓技术层级的最新突破、STGAP硅嵌入式电气隔离技术及先进模数融合处理能力，意法半导体正引领数据中心迈入超维进化时代。此举助力英伟达显著缩减线缆体积并提升能效。双方合作首次在数据中心领域实现12kW持续电力输送，效率超98%，输出50V时功率密度突破2600W/in³。

为何英伟达倾向采用800V方案？

重构不可持续的技术范式

数十年来，依赖于48V配电系统的传统15kW机柜方案充分满足了数据中心处理器、内存及存储需求。然而，随着AI技术兴起且超大规模并行计算架构的GPU算力驱动型应用井喷式爆发，系统架构师面临着设计一套新型机柜系统令供电需求高达600千瓦至1兆瓦的挑战。毋庸置疑，功耗的急剧攀升亟需彻底革新的供电方案。例如，以48V电压输送600kW竟需12.5kA电流！单是想象承载此电流所需的线缆、母线排及散热器规模，便足以令工程师们望而却步。

未来配电技术演进前瞻

因此，最直接有效的解决方案是提升输入电压以降低电流需求。这将直接导致线缆与母线排规模的大幅缩减，也简化了机柜中AC电网与DC配电之间的转化。事实上，英伟达在一篇相关博客文章中表示，将目前的54V方案迁跃至800V可帮助提升高达5%的效率。简单来说，在超大规模数据中心可持续性备受关注的当下，向800V架构转型是确保资源利用率显著跃升且同时满足AI创新技术需求的优选路径。

然而，之前的挑战在于配电系统需将800V高压转换为中间母线电压，进而生成GPU核心工作电压，且整体结构必须适配服务器机柜的紧凑空间。由于机柜采用标准尺寸，空间约束极为严苛；更棘手的是，元件高密度排布会加剧电磁干扰与散热管理难题。

因此，工程师们必须找出一套可用于处理该超高电压的紧凑型解决方案。800V系统还需要彻底重构隔离与接地体系，保护机制及故障处理亦将面临全新复杂性层面。为此，英伟达选择携手意法半导体共破困局。

意法半导体如何将12kW功率压缩至2600W/in3？

解决热插拔需求

为攻克800V机柜方案的固有挑战并满足热插拔要求，意法半导体团队设计了两大核心模块：热插拔保护电路与功率转换器。前者采用1200V碳化硅（SiC）器件及电气隔离型BCD（双极-CMOS-DMOS）控制器。2021年，IEEE官方认证意法半导体为BCD硅工艺系列首创者。BCD技术可实现模拟与数字元件集成，显著提升电源管理方案的效率与可靠性。此外，意法半导体在碳化硅器件领域积淀近30年经验，系首家将其规模化应用于电动汽车领域的制造商。

优化初级侧

第二部分为DC-DC转换器，负责将机架内800V高压转换为各伺服器所需的50V电压。为实现微型化设计，意法半导体采用650V氮化镓（GaN）晶体管构建堆叠半桥拓扑，初级侧配置STGAP电气隔离栅极驱动器。得益于3.4eV宽禁带与1700cm²/V·s高电子迁移率，氮化镓（GaN）兼具超低输出电容与导通阻抗特性，成为高频电力电子应用的理想材料。

优化次级侧

在次级侧上，ST采用100V低压氮化镓（GaN）晶体管、低压栅极驱动器及STM32G4微控制器。得益于分辨率低于200皮秒的精密定时器，该MCU可实现高性能控制，完美适配此类转换所需的高频开关需求。同时，STGAP器件为功率转换器初级侧与次级侧提供完全电隔离，有效屏蔽电磁干扰（EMI）等异常事件，确保超紧凑结构的稳定运行。

拆解原变压器为两组四单元小型变压器阵列

除精选元器件外，ST还需突破空间极限，也就是磁件微型化。尤为关键的是，10kV隔离层挤占了原属变压器的空间。为缩减变压器磁件体积，意法半导体将传统大功率全桥拓扑拆分为两组四单元并联的整流全桥阵列，实现协同整流。此分体式设计实现磁通分流降低单磁芯负荷，并扩展热耗散路径。配合四组小型全桥拓扑，采用微型铁氧体磁芯，最终达成变压器整体体积的突破性缩减。

该组件清单与拓扑方案集中体现了意法半导体多年积淀的深厚技术专长，铸就了我们解决方案的独特优势。当同业需多方采购部件时，我们提供全栈自研的集成方案，显著提升系统优化效率。该新型800V配电架构更凸显带有寄生电感最小化及双面冷却的超紧凑封装的至关重要性。意法半导体持续推动芯片级微型封装，作为英伟达的核心战略伙伴。