傅奕翔 / 德國萊因太陽能與商用工業產品服務專案經理

 

 

AI 資料中心朝 800VDC 高壓直流供電架構演進，固態變壓器 (Solid State Transformer, SST）雖可縮小體積、提高效率並提供雙向電力控制，但也同步帶來中壓安全、高頻材料、EMI、散熱、絕緣與液冷等新的驗證挑戰。

 

AI 應用快速提升運算需求，也讓資料中心的電力架構面臨新的轉變。從傳統 AC 供電、過渡性的高壓直流（HVDC）架構，到以固態變壓器銜接中壓交流與 800VDC 的新型架構，資料中心的供電系統正朝向更高電壓、更高功率密度與更高效率發展。

 

相較於傳統變壓器，SST 採用高頻隔離及多級電力電子轉換，具有體積小、重量輕、雙向功率控制、電壓與電流可調，以及電能品質調節與高效率等特性。不過，隨著電力架構改變，SST 也同步帶來新的安全與驗證課題，包括中壓電氣安全、高頻材料、電磁干擾（EMI）、散熱、絕緣與液冷系統等。

 

從 AC 到 800VDC，AI 資料中心供電架構正在改變

AI 高算力需求持續提升，使資料中心對電力供應的要求也隨之提高。在最終 HVDC 架構中，SST 可將 13.8–35kV 的交流電力轉換至 800VDC，再供應 IT 機櫃（IT Rack）。這樣的架構演進，也使電力轉換設備成為影響資料中心安全與可靠度的重要環節。

 

                                 ▲ 資料中心供電架構演進：傳統 AC、過渡 HVDC 到最終 HVDC（SST）架構

 

然而，當系統進入中壓、高頻及高功率密度環境後，傳統低壓設備的安全設計思維已難以完整涵蓋新的風險。對設備業者而言，電力架構升級不只是提升供電效率，也意味著必須重新檢視設備在不同電壓、頻率、熱管理與系統整合條件下的安全性。

 

中壓、高頻與高密度設計帶來新的安全挑戰

其中一項關鍵問題是中壓電氣安全。SST 架構同時涉及中壓（MV）與低壓（LV）電壓層級，感電風險相對提高，因此需要強化絕緣、聯鎖（interlocking）及功能安全（functional safety）設計。此外，當直流側發生內部電弧（internal arc）時，電弧也較難熄滅。

 

▲ SST 面臨的安全挑戰：中壓電氣安全、高頻材料、散熱、EMI、液冷與高功率密度設計

 

另一方面，SST 所使用的高頻隔離變壓器（High-Frequency Transformer, HFT）在 30kHz 至 50kHz 的高頻環境下，可能面臨局部放電（partial discharge）與絕緣劣化（insulation degradation）等問題；高頻運作所引起的溫升也可能增加磁芯損耗（core loss），而高頻開關切換則可能產生共模電磁干擾（common-mode EMI）。 隨著設備朝高功率密度與緊湊化發展，電氣間隙（clearance）、爬電距離（creepage distance）及散熱空間也需要重新考量。若進一步導入液冷系統，還必須注意冷卻液絕緣失效（coolant insulation failure）與冷卻液洩漏（coolant leakage）等風險。

 

從單一產品安全走向多層級驗證

面對新的設計需求，現有標準已提供部分安全要求。相關標準包括 IEC 62477-2、UL 1741 及 UL 2877，分別涵蓋中壓電力電子轉換設備、逆變器／轉換器／控制器，以及中壓電源設備等相關安全要求或評估架構。

 

在此基礎上，德國萊因 TÜV 提出 2 PfG 3175 – Safety requirements for Artificial Intelligence (AI) Power Supplies，結合 IEC 62477-2 與 UL 2877 的部分要求，同時發展高頻隔離變壓器（HFT）的特定要求，以及整合式液冷系統測試方法。  此外，SST 應用於 AI 資料中心，不只要確認其符合安規要求，也需要從元件、設備、系統到架構等不同層級進行評估，並進一步考量效能、可靠度與可用性。

 

▲ 從元件、設備、系統到架構的多層級評估

驗證也成為 AI 電力架構升級的重要環節

隨著 AI 資料中心持續朝高功率密度與 800VDC 架構發展，電力設備的安全設計與驗證也需要更早納入產品與系統開發流程。從中壓電氣安全、高頻材料、電磁干擾與熱管理，到液冷系統及不同市場的准入要求，SST 所涉及的驗證範圍，已從單一產品逐步延伸至整體電力架構。

 

對資料中心設備業者而言，如何在產品設計階段就整合不同市場的安全標準與測試要求，將成為 AI 電力基礎設施開發的重要課題。

 

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FAQ

Q1：為什麼 AI 資料中心開始關注 800VDC？

資料中心電力架構正從傳統 AC，逐步走向過渡性的 HVDC，再進一步發展至以 SST 搭配 800VDC 的最終 HVDC 架構，反映 AI 資料中心對更高功率密度與電力架構效率的需求。

 

Q2：SST 與傳統變壓器有什麼不同？

SST 採用高頻隔離變壓器與多級電力電子轉換，具有體積小、重量輕、雙向功率控制、電壓／電流可調，以及電能品質調節等特性；相較之下，傳統變壓器技術成熟、可靠度高，且成本相對較低。

 

Q3：SST 在 AI 資料中心面臨哪些主要安全挑戰？

主要包括中壓感電風險、內部電弧、高頻運作造成的局部放電與絕緣劣化、溫升造成的磁芯損耗、高頻切換產生的 EMI，以及高功率密度設計下的電氣間隙、爬電距離、散熱與液冷安全等問題。

 

Q4：目前有哪些標準可以用於 SST 的安全評估？

相關標準包括 IEC 62477-2、UL 1741 及 UL 2877。其中 IEC 62477-2 適用於通用的中壓電力電子轉換系統與設備；UL 2877 則針對中壓電源設備。

 

Q5：德國萊因 TÜV 如何協助 SST 進行安全驗證？

德國萊因 TÜV 提出 2 PfG 3175，結合 IEC 62477-2 與 UL 2877 的部分要求，同時發展 HFT 特定要求與整合式液冷系統測試方法。此外，也可從元件、設備、系統到架構等不同層級，考量 SST 的效能、可靠度與可用性。