高功率密度DC/DC模組驅動AI電力效率升級

隨著人工智慧（AI）、高效能運算（HPC）及大型資料中心應用快速成長，單一機櫃（rack）功率需求已由過往十餘千瓦提升至數百千瓦，甚至朝兆瓦（MW）等級發展。傳統交流（AC）或低電壓直流配電架構在功率密度、配電效率與系統擴充性方面逐漸面臨瓶頸。

高電壓直流（High-Voltage Direct Current, HVDC）配電因能夠有效降低電流、減少導線損耗並提升整體效率，逐漸成為新一代電力架構的重要方向。本文聚焦於800 V HVDC配電架構，說明其系統設計理念、關鍵技術特性，並以高功率密度直流轉換模組為例，探討其在AI與資料中心應用中的節能效益與實務可行性。

隨著AI模型規模與運算需求持續攀升，資料中心的電力消耗呈現指數型成長。單一機櫃功率已由傳統的10~20 kW提升至100 kW以上，未來甚至可能達到300 kW或MW級。在此功率等級下，低電壓、大電流的供電方式將導致顯著的 I2R損耗、母線體積放大與散熱設計複雜化，成為系統效率與可靠度的主要限制因素。

為因應上述挑戰，高電壓直流配電中，800 V直流電壓等級在效率、安規可行性與元件成熟度之間取得良好平衡，被視為具高度實用潛力的HVDC配電方案。

800 V HVDC系統架構與設計

典型的800 V HVDC配電系統由交流輸入整流與功率因數校正（PFC）、高壓直流母線（HVDC Bus）以及多組模組化DC/DC轉換器所構成（圖一）。相較於傳統AC配電架構，HVDC系統可減少多次能量轉換所造成的損耗，並簡化電力分配路徑。

圖一 : HVDC電源配置圖

高壓直流母線設計考量

800 V HVDC系統通常以750~800 V為額定工作範圍，並搭配直流鏈路電容、預充電電路、絕緣監測與高壓接觸器等保護機制，以確保系統啟動與運行安全。針對人員密集或高可用性需求之應用，亦可採用+/-400 V雙極架構，以降低對地電壓並提升安全性與相容性。

高功率密度DC/DC模組於HVDC系統之應用@中標:VICOR BCM拓樸

在800 V HVDC架構中，高效率且高功率密度的DC/DC轉換器扮演承上啟下的關鍵角色，直接影響整體系統效率、功率密度與維護彈性。以VICOR BCM系列模組為例，其採用固定頻率之正弦波諧振拓撲，能在高頻條件下實現低切換損耗與低電磁干擾（EMI）。

BCM的拓樸架構為全橋同步整流。切換的方式是SAC（Sine Amplitude Converter）是一種基於變壓器的串聯諧振拓撲，為固定頻率工作一次側的MOSFET為LC（電感電容）諧振頻率切換，並且在接近零交叉點切換，大大降低開關損失與減少高頻諧波與EMI產生，切換波形為正弦波切換，而二次側的負載電流的增大，會導致一次側的電流流經LC諧振迴路的振幅增加（圖二），在暫態下一次側正弦波振幅增高後會在幾個切換週期內穩定下來。

圖二 : SAC波形原理

BCM6135模組在體積僅約61.3 mm × 35.3 mm × 7.4 mm的條件下，即可提供高達 48 V/65 A的輸出能力，峰值效率可達97%以上，顯著優於傳統離散式電源設計。其高頻（約1.2 MHz）操作特性亦有助於縮小變壓器與周邊被動元件尺寸，進一步提升系統功率密度。

VICOR BCM並聯原理等效應用

在並聯的應用上如（圖三）ROUT（輸出阻抗）在BCM轉換器數據表中指定為一個範圍，並且具有正溫度係數的特性隨著模塊溫度升高ROUT 增加在一個陣列中就會減少流過的電流量，並降低了模塊供應功率。而ROUT底的模組溫度相對較低就會承擔較高的電流，只要在散熱的設計需做到均勻冷卻， 即可達到相當程度的電流平衡，穩定供應輸出功率，由於每顆的損耗功率與陣列中的相鄰單元相同，如此一來將具有相似的平均故障間隔（MTBF）特性。

圖三 : 並聯等效阻抗

BCM模塊陣列的額定功率等於單顆功率乘並聯數量，即使在理想情況下，通過陣列模塊電流將不相等，但因正溫度系數的關係，會讓溫度較低的模塊流過較高的電流，並且輸入和輸出阻抗設計好匹配，系統仍有相對的穩定度，但總功率切勿超過模塊的最大額定功率總和，以避免R_OUT輪流平衡時會超出單模塊的功率而觸發到保護點，所以在散熱技術上做到均熱平衡，這一點相當重要。

散熱與可靠度設計

在高功率密度應用中，熱管理為影響系統可靠度的關鍵因素。BCM6135類模組採用雙面散熱封裝設計（圖四），可直接與機櫃冷板或液冷系統整合，降低熱阻並提升散熱效率。透過系統層級的均熱設計。

圖四 : BCM6135實際大小

此外，該類模組並支援雙向供電與數位電源管理介面（PMBus），有利於建構高可靠度且具擴充性的監控系統，適合資料中心的管理與配置可使並聯模組陣列具備相近的熱應力與MTBF，進而提升整體系統壽命。

結論

800 V等級HVDC配電架構已逐漸成為高功率電力系統的重要發展方向，其核心價值在於透過提升配電電壓以降低電流，從而有效減少導線損耗、縮小配電與散熱系統體積，並提升整體能源使用效率。

相較於傳統AC或低電壓DC架構，800 V HVDC在高功率密度、系統可擴充性與能源效率方面展現出明顯優勢，Vicor BCM特別適用於AI、HPC與新一代資料中心等應用場景。

在系統設計上，800 V HVDC並非單純的電壓等級提升，而是一項以高壓直流母線為核心，結合模組化電源轉換、完善保護機制與先進散熱技術的整體架構轉型。隨著功率半導體、磁性元件與相關安規標準的持續成熟，800 V HVDC有望在未來高功率電力系統中扮演關鍵角色，並且成為高效率、低碳排放直流配電的重要主流方案之一。

（本文作者張泰偉為茂綸應用工程副理）