固態變壓器(SST) AIDC 供配電的終極方案

為了滿足伺服器功率持續提升的需求, AIDC配電架構向 HVDC 和固態變壓器演進. 今年 10 月輝達發布的 "800 VDC Architecture for Next-Generation Al Infrastructure" 白皮書, 明確了數據中心配電架構發展路線. 輝達認為 800VDC 是下一代配電的最佳架構, 同時強調了固態變壓器 (SST) 技術路線的重要性, 輝達表示正在探索中壓整流器應用 (將中壓交流電轉換為 800VDC), 並致力於將 SST 技術作為面向未來的設施配電解決方案.

固態變壓器 (SST) 是數據中心直流配電系統的未來發展趨勢. SST 採用第三代功率半導體取代傳統變壓器進行調壓和整流, 系統鏈路短, 效率高, 體積小, 重量輕, 控制方便. SST方案效率更高,  根據為光能源, SST 方案相較於傳統 UPS 方案端到負荷效率提升 3%以上; 以 100MW 數據中心為例, 若負載率為 90%, 效率每提升1%, 每年可節省 788.40萬度, 按 0.8元/kWh 電價計算, 每年可節省 630萬元電費.

從最早的第一代 HVDC 和巴拿馬電源到海外的 Sidecar 方案 (通常 400V), 再到未來方案中的 800V, HVDC 供電方案表現為供電效率的持續提升. 對於年耗電量巨大的 GW 級數據中心, 1 個百分點的效率提升意味著每年節省數千萬元的電費. 這種電壓或者說供電效率的提升與三種 HVDC 方案所選擇的變壓器緊密相連, 即傳統 HVDC 對應的工頻變壓器, 巴拿馬對應的移相變壓器 (PST) 以及 800V 後的固態變壓器 (SST).

第一代 HVDC 和傳統 UPS 均採用笨重的工頻變壓器, 而第二代 HVDC (巴拿馬) 採用了具備多繞組結構的移相變壓器, 後者為整流模組提供了相位各異的交流輸入, 能夠有效抑制諧波, 帶來了供電效率的改善. 固態變壓器採用的絕緣設計和材料使得其能夠在高頻下工作, 因而能夠承受更高電壓. 能夠適應高頻工作環境的固態變壓器開始走向產業化推廣的新階段.

SST 的優勢就體現在小型化, 節約空間上. 得益於高頻器件和模組化設計, SST 的占地不足傳統 UPS 供電鏈路的 50%, 極致節省土地與空間, 更符合未來 GW 級 AIDC 的部署要求. 1) 高頻化: 根據電磁感應原理, 更高的頻率意味著傳遞相同功率所需的磁芯體積可以大幅減小. 2) 模組化: 更重要的是, SST 內部通常採用功率模組並聯的設計, 單個模組就是一個成整的, 小功率的 SST 單元.

"電能路由器" SST 是電源方案的 "未來式" 800V HVDC 是 SST 滲透的起點, 但並非終點. SST 的產業滲透還遠未到大規模放量的階段, 目前甚至只是作為 800V HVDC 方案中的一環, 大眾對 SST 的認知限為其可以提高電路效率, 改善能效. 事實上, SST 的優勢遠不止為此, 作為一種主動控制而非被動控制的方案, SST 的主動靈活性, 綠電適配性將使得其在未來占有更大的市場份額.

固態變壓器（SST）輸入電壓範圍廣, 具備多端口電壓兼容性, 符合綠電輸出的特徵. 傳統工頻變壓器 (50/60Hz) 無法兼容寬範圍輸入, 而 SST 高頻特性使其能適應不同輸入頻率, 無需額外濾波或調壓設備. 通過串聯組合, SST 可覆蓋 10kV AC 中壓輸入需求, 同時支持直流端口 (如風電 800V DC) 的並聯接入. SST 可通過軟件重新配置還可適應新的電壓標準, 而傳統方案可能需要進行硬件層面的重大改造.

SST 本質是電能-磁能-電能的轉化過程, 因此, 在 SST 方案中, 導電材料與導磁材料占據材料端主要價值. 其中, 碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 是決定 SST 導電性能, 而導磁的納米晶或鐵氧體等磁芯則與 SST 能量轉換的效率直接相連, 共同決定了 SST 在效率, 功率密度和成本上的競爭力. 在實際使用中, SiC, GaN 分別主要作為輸入端, 輸出端的核心材料.

根據具體設計要求 (如工作頻率, 功率等級, 效率目標, 成本預算) 等, SST 未來或以非晶合金, 納米晶合金, 鐵氧體作為主要的磁性材料. 傳統的工頻變壓器多採用笨重的矽鋼片, 這種材料在高頻下損耗巨大, 無法勝任 kHz 以上的高頻工作環境. 鐵氧體, 納米晶/非晶是取代矽鋼片的良好選擇. 固態變壓器磁性材料的市場空間將持續成長, 目前高頻變壓器磁芯市場由鐵氧體暫主導.

SST 的成本占比: 電力電子器件約占總成本的 32%, 是 SST 的核心部分, 這些器件基於碳化矽(SiC), 氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶半導體材料, 通過高頻開關實現電能轉換, 其性能和成本直接影響SST 的整體效率和價格. 高頻變壓器約占總成本的16%, 高頻變壓器採用鐵氧體, 非晶合金等新型磁性材料, 通過高頻電磁感應實現電壓變換和電氣隔離, 其體積小, 效率高, 但制造工藝複雜, 成本較高.

技術優勢驅動需求, 固態變壓器潛力十足. 1)  超高效率: SST通過寬禁帶半導體實現 98.3% 的傳輸效率節能 2-3個百分點. 2) 空間優化: 配電面積減少 60%-90%, 模組化設計支持靈活擴容. 3) 新能源適配: 支持太陽能, 儲能等直流供電, 契合數據中心綠電目標. 固態變壓器預計 2025 年後半段將迎來部分樣機, 方案的出台, 有望在 2027年小批量交付, 2028年規模化交付.

SST 產業鏈可分為, 上游材料與零部件制造: SST 上游主要包括功率半導體電力電子器件, 斷路器, 高頻變壓器, 結構件與散熱系統, 控制系統和機櫃等核心零部件供應商以及相關原材料供應商. 中游系統集成: 中游是  SST 的制造企業, 承接上游輸入並向下游輸出產品, 負責生產, 集成零部件, 制造完整 SST 產品. 主要由維諦, 伊頓, 台達電, ABB, 西門子, 通用電氣等海外龍頭企業主導.

2025 年台達電在國際電腦展上推出面向高壓直流 (HVDC) 架構的機架式電源和面向微電網的 SST 解決方案. 其中 HVDC 包括 2OU 180kW 和 1OU 72kW 的 AC-DC 機架電源, 可支援三相415–480VAC 交流輸入, 並輸出 800VDC 高壓直流, 能源轉換效率高達 98%. 並有 90kW DC-DC 機架式電源, 可進一步降壓至 50VDC, 滿足不同負載需求. 提供從 10kV 中壓輸入到 1V 晶片級低壓輸出的全鏈路技術和產品, 全面支持 800V/±400V 升級.