瑞萨电子在2025年9月25日发布了一份数据中心电力架构演进白皮书，主题是数据中心电源架构的演进，重点针对AI算力爆发带来的供电挑战，提出了一种向800V高压直流HVDC架构演进的方案。

白皮书由瑞萨电子Pietro Scalia，Yong Perry Li, Ashish Ekbote撰写，分别从市场战略、器件研发到工程落地，构成了一个完整的“技术-产品-市场”铁三角。

由于AI的爆发式增长，导致数据中心IT机架的功耗急剧上升，目前已达数百千瓦，行业正在从传统的48V架构，转换成800V HVDC架构。通过使用氮化镓技术，能够实现高功率密度和高能效的16：1降压转换，瑞萨电子与英伟达合作开发面向数据中心应用的新800V架构。

目录中第三章介绍了16：1 800V DC/DC转换器设计，第四章介绍了64：1 800V转换器扩展，第五章介绍了前端PFC转换器。

随着AI硬件的激增，数据中心正在经历重大变革，xPU和ASIC厂商以极快的周期发布新技术，支出远高于标准服务器升级，半导体供应商也积极参与硬件革命。

xPU的功耗正在急剧增加，使得机柜的总功率在未来的一年内达到数百千瓦，是现有GB300的二倍多，并且AI算力的需求增长速度，远超半导体的摩尔定律。

若沿用传统机柜内48V配电架构，会产生巨大的配电损耗，或大量使用铜排，需要修改设计以应对功率的急剧增加。HVDC方案将直接使用800V直流为机柜供电，减少铜的使用。

在白皮书中，瑞萨电子分析了适用于新架构的转换器拓扑实例，使用维也纳拓扑的双向氮化镓开关，简化AC/DC前端结构和成本，生成800V直流电压，模块功率趋向20kW或更高。

图1展示了SoC功率最大电流趋势，图中红色散点代表AI GPU/TPU/xPU/网络ASIC的最大电流呈指数级增长，2028年预测峰值电流可能突破4000A。蓝色散点代表传统的x86/ARM CPU功耗增长平缓，峰值达到1000A。

通过使用Side Car架构，将AC/DC转换单元移出计算机架，放置在Side Car机架中。通过800V HVDC输送给计算机架，减少用铜量，并提升更高的功率密度。在计算机架中，使用16：1的LLC拓扑降压至48V，为GPU/xPU供电。

氮化镓器件能够在MHz级别进行高频转换，并具有可控的损耗，能够实现更小的尺寸和新型机柜所需的更高功率密度的设计。在低压侧使用直流变压器降压到48V，复用现有的48V生态系统。

也可能使用这种DC/DC转换器，实现64：1的电压转换，跳过48V环节，直接从800V降压到12V。或使用带有GaN的八开关混合电容转换器降压至6V。

在低压侧，GPU需要的功率趋向数千瓦，需要使用非常规方式为GPU供电，使用垂直供电减少分布损耗，垂直供电需要高集成化的模块方案，降低高度。最后使用高频集成电压调节器实现最后阶段转换。

瑞萨作为长期的数据中心电源供应商，正在利用 GaN/Si 开关、数字控制器、驱动器以及 PoL/BMS 控制器等技术，支持 OEM 和超大规模客户定义下一代架构。

图3是支持当今数据中心AI供电方案的瑞萨电源方案组合，由于GPU的功耗提升，服务器功耗已经从20-30kW飙升至130kW以上，使用高压母线和Side Car机架成为趋势，可扩展功率至1MW。

瑞萨现有第四代数字多相控制器和第三代智能功率级，高密度垂直供电模块，专有的测试工具，性能优化软件，数字控制器+智能功率级，48V隔离转换器，DDR5 PMIC和16串电池管理方案。

新产品包括氮化镓晶体管，负载点，电子熔丝，MOS管，控制器和驱动器。

图5展示了下一代机柜的HVDC DC/DC转换架构，使用800V直流母线输入，使用两个3kW的半桥LLC，将800V转换成48V。介绍了瑞萨可用于该电路的氮化镓开关管，驱动器和数字电源控制器。

符合开放计算项目原则，本主题所述内容遵循OCP原则生成。其宗旨在于展示一种标准且开放的拓扑方法，以应对新架构带来的新挑战，并激励全行业的采用。这在IT机柜的铜材节省以及从电网到核心的整体效率优势方面带来了显著影响，从而实现IT机柜的可持续实施。

这种直流/直流方法在12kW功率水平、全砖尺寸下进行了验证，具备可扩展性，能够承受潜在的功率变化；同时，从实际48V向更低中间电压值转移的角度而言，它还能进一步提高刀片和IT机柜本身的整体效率和功率密度。这些涉及新架构电路实现的技术和组件，也可应用于Side Car交/直流机柜中，其中GaN BDS和UDS器件可通过使用简化的拓扑结构来提高效率和降低成本。

用于IT机柜的16：1 800V DC/DC转换器设计，系统由两个并联的6kW转换器单元组成，每个6kW转换器由两个3kW的400-48V LLC模块组成。输入端串联连接，输出端并联连接，以实现更高功率密度和更高效率的变压器设计，可以适应不同的输入输出配置。

在新的高压直流架构中，48V和12V输出不需要由电源稳压，下游的低压DC/DC可以负责稳压，为GPU提供调节后的直流电压。无需输出电压调节的优势，适合LLC DCX模式。

传统的LLC为了稳压，需要改变开关频率，需要闭环控制算法和高速ADC实时采样。LLC DCX采用固定频率运行，采用开环控制，无需高速ADC，无需实时控制。

矩阵变压器与传统变压器不同，将多个绕组互联，共用同一个磁芯，实现了卓越的功率密度和转换效率。绕组可以集成在PCB中，将同步整流与输出电容结合成紧凑的协同设计结构。图8展示了带矩阵变压器的LLC DCX，在PCB上设有控制器，驱动器，开关管和同步整流管。

基础构建模块设计 3kW 400V-48V DCX，采用半桥LLC拓扑，初级采用瑞萨TP65H030G4PRS氮化镓开关管，采用TOLT封装，提供顶部散热，简化散热设计。次级采用两相全桥同步整流电路，使用瑞萨RBE024N08R1SZN6同步整流管。

控制器采用瑞萨RA6T2 MCU，用于开关PWM控制和副边同步整流控制，以及监控和故障处理功能。由于采用开环控制，以固定的转换比运行，不需要实时控制，原边和副边的PWM信号都由位于副边地的同一MCU生成。

图9介绍了3kW 400V-48V LLC DCX模块的栅极驱动方案，原边采用隔离型高压栅极驱动器，确保安全和信号完整性。副边采用瑞萨100V半桥栅极驱动器HIP2211，简化低压侧的设计，并使用矩阵变压器实现高功率密度的集成。

在HVDC系统中，辅助电源不仅为MCU、栅极驱动器和外设供电，还需要处理800V直流母线连接/断开的时序。瑞萨iW1825反激转换器内部集成开关管和控制器，采用原边反馈技术，简化设计并提升可靠性。

平面矩阵变压器适合超高功率密度应用，集成结构能够保证磁通均匀分布，降低磁芯损耗。瑞萨已完成3kW 400V-48V LLC DCX的设计，完成原型制作和测试，持续优化以减小尺寸。

图10展示了3kW 400V-48V LLC DCX原型机的仿真认证，基于Ansys软件的3D磁场仿真视图，展示了变压器在等气隙设计下的磁通密度分布。LLC DC开关频率约为650kHz，实现了原边ZVS和副边ZCS。

图11展示了LLC DCX原型的测试波形图，CH1蓝色为原边开关节点电压波形，CH2青色为副边变压器输出电压波形，CH3紫色为原边电流波形。

64：1转换器用于800V转换12V输出，采用带有8倍副边中心抽头的LLC DCX拓扑，降低副边同步整流的电流应力，降低导通损耗，提高整体效率。

在3kW输出条件下，预计转换效率约为96.7%，相比48V输出效率降低1%，但在减少转换级数具有显著价值，可降低系统复杂度。

图13为满载3kW时的原边谐振槽电流和副边开关电流，上方紫色曲线为原边开关管电流，下方青色曲线为原边开关管栅极驱动电压，实现了零电压开通，降低了开关损耗。

图14为负载功率为3kW时的输出电压与电流，上方黄色曲线为输出电流，下方红色曲线为输出电压，输出电流纹波约14A，输出电压纹波约500mV。

前级PFC设置在Side Car机架中，连接市电转换成稳定的800V输出。维也纳整流器是流行的PFC拓扑之一，通过使用双向GaN器件，可以实现具有低导通损耗的维也纳整流器。使用双向开关GaN，可以实现较低的传导损耗，还可以简化驱动，进一步提升功率密度。

双向开关GaN采用横向结构，可通过基板散热，还可通过顶部散热。器件具备准无反向恢复和快速开关特性，开关损耗极低。瑞萨推出的新型双向高压氮化镓开关取代了传统的两个开关管，减小了功率级尺寸，并提升效率，具有成本优势。

为了满足现代AI数据中心的兆瓦级需求，需要新的高压架构，白皮书探讨了IT机架和Side Car机架的两个模块，采用开放，可扩展的拓扑和技术方法。氮化镓降低了开关损耗，可实现更高的开关频率，并简化拓扑，提升可靠性。

瑞萨展示了详细的3kW 400V-48V LLC DCX转换器设计和实施结果，通过仿真数据证明架构的可扩展性。瑞萨正在设计，制造和测试更多模块，评估和测试潜在的演进路径。瑞萨鼓励数据中心，OEM厂商和超大规模服务商与半导体供应商合作，共同定义下一代改进的电源架构。

参考文献包括：瑞萨电子电源管理与技术；NVIDIA 800 VDC架构将驱动下一代AI工厂；开放计算基金会。

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总结

白皮书中介绍了瑞萨的16：1 800V转换48V的DC/DC设计，采用LLC DCX模式运行，无需稳压，简化了控制。矩阵变压器相比传统变压器提供了更高的功率密度和转换效率。64：1 800V转换12V的DC/DC设计虽然相比48V转换降低了1%的效率，但是消除了48V到12V转换环节，降低了系统复杂度。

双向开关GaN取代了传统的两个开关管，适合前级PFC的维也纳整流器应用，降低传导损耗，简化驱动设计，进一步提升功率密度，并具备成本优势。白皮书中还介绍了数据中心AI供电方案的瑞萨电源方案组合，包括数字控制器+智能功率级，垂直供电模块，48V隔离转换器，DDR5 PMIC和16串电池管理方案等。