【意法半导体博客更新】：借助 6 kW、12 kW 和 20 kW 电源传输板，ST为 AI 数据中心提供 800 V HVDC
NVIDIA 最近将 ST 认定为 NVIDIA AI Factory MGX 生态系统的贡献者。NVIDIA MGX 是一种模块化参考架构，可作为数百种 GPU、CPU、存储设备等组件的基础。得益于双方的持续合作，ST 的 40 V、12 V 和 6 V 架构可帮助打造高密度供电板卡，并将其用于 NVIDIA MGX 机架中。简单来说，NVIDIA MGX 通过提供一个工程师可以快速构建的基础，加速了 AI 数据中心的创建。随着行业向 800 V HVDC AI 数据中心 迈进，这类协作将确保平稳而快速的过渡。（以上内容更新于2026 年 6 月 29 日）
NVIDIA 和 ST 将推出两款面向 800 VDC 架构的新型电源传输板，这些方案基于我们在本博客文章中展示过的内容。第一款是 6 kW、850 kHz 的 LLC 转换器，采用与 2025 年所展示系统相同的 700 V GaN 功率晶体管。不过，这一较小型号在二次侧采用的是 40 V 低压 MOSFET，而不是 100 V GaN 器件，可将 800 V 转换为 12 V，实现 97.5% 的峰值效率和 2,500 W/in3 的功率密度。简而言之，它是 12 kW 系统的缩小版，省去了中间的 54 V 至 12 V 转换器。
第二款电源传输板是一款 20 kW、650 kHz 的八级叠层 LLC 转换器，初级侧采用 120 V GaN 器件，二次侧采用 25 V MOSFET。NVIDIA 将把它用于低功耗设备，因为它可将 800 V 输入转换为 6 V 输出，峰值效率达到 96.5%。尽管其输出电压明显低于 6 kW 板卡，ST 仍然保持了相近的功率效率水平。它将有助于为需要大电流但更偏好低电压供电轨的中间电源轨供电，以提升效率，并为各类板卡和子系统中的 GPU、CPU 或内存模块供电。 （以上内容更新于2026 年 3 月 17 日）
NVIDIA 已验证 ST 的 12 kW 电源传输概念验证板，实际上已进入生产测试阶段。这家 GPU 厂商甚至在由 Open Compute Project 组织的 OCP 2025 峰会上展示了由 ST 设计的完整原型。我们还将发布一份关于面向下一代 AI 数据中心的高密度电源传输解决方案白皮书，以帮助工程师理解驱动我们电源传输板的原理，以及我们如何实现如此高的功率密度。该文档涵盖拓扑结构、设计考量、宽禁带晶体管以及优化方法等诸多内容。（以上内容更新于2025 年 10 月 13 日）
白皮书下载链接 ：https://content.st.com/high-density-ai-data-center-power-delivery-mcdcdc-whitepaper.html
本文原始发布时间为2025 年 6 月 13 日，以下为原文：
ST 是 NVIDIA 推出 800 V 机架内电源分配新计划的关键合作伙伴。
这得益于 ST 的高密度电源传输板（PBD），它可在小型化外形中承载 12 kW 功率。凭借 ST 在 SiC 和 GaN 功率技术、STGAP 硅嵌入式电气隔离 IP，以及我们先进的模拟和数字处理能力方面的最新进展，我们正在为数据中心开启一个新时代。这使 NVIDIA 能够减少线缆体积并提升效率。我们的合作意味着，在数据中心历史上，我们首次能够以超过 98% 的效率持续传输 12 kW 电力，并在 50 V 输出下实现超过 2,600 W/in3 的功率密度。
NVIDIA 为什么甚至会考虑使用 800 V？
重新思考不可持续的模式
数十年来，依赖 48 V 电源分配系统的典型 15 kW 机架一直能够轻松满足数据中心在处理器、内存和存储方面的需求。然而，随着 AI 的出现以及依赖 GPU 的应用大规模爆发、并需要庞大的架构来实现极致并行性，系统架构师如今面临着设计功率需求介于 600 kW 到 1 MW 之间机架的挑战。不言而喻，功耗的巨大增长需要一种全新的方法。举例来说，若要以 48 V 传输 600 kW，将需要高达 12,500 A 的惊人电流！仅仅想象一下为应对此情况所需的电缆、母排和散热器尺寸，就足以让一些工程师“晕过去”。
展望电力分配的未来
800 V 是 AI 数据中心的必然选择
因此，最明显的解决方案是提高输入电压，以减少所需电流。这将自动显著减少线缆和母排的使用。它还会减少交流电网与机架直流电源分配之间的转换步骤。事实上，在另一篇相关文章中，NVIDIA 认为转向 800 V 相比当前的 54 V 系统可将效率提升高达 5%。简而言之，在许多人关注超大规模数据中心可持续性的当下，转向 800 V 是在满足更高 AI 创新技术需求的同时，显著提升资源利用率的最佳方式之一。
然而，挑战在于开发一种能够将 800 V 转换为中间母线、再由该母线生成 GPU 核心电压的电源分配系统，同时还要适配适用于服务器机架的紧凑外形。这里的空间限制至关重要，因为机架采用标准尺寸。不幸的是，器件靠得太近会加剧电磁干扰和散热管理问题。因此，工程师必须找到一种方案，在保持紧凑外形的同时应对这一显著更高的电压。800 V 系统还需要一套全新的隔离与接地系统。同样，保护机制和故障处理也会变得完全不同。NVIDIA 因此寻求 ST 提供解决方案。
ST 如何在 2,600 W/in3 的条件下实现 12 kW？
满足热插拔要求
为应对 800 V 机架固有的挑战并满足热插拔要求，我们的团队设计了两个部分：热插拔保护电路和功率转换器。第一部分采用我们的 1,200 V 碳化硅（SiC）器件以及带有电气隔离功能的 BCD（BIPOLAR-CMOS-DMOS）控制器。2021 年，IEEE 认定 ST 为 BCD 系列硅工艺的发明者。BCD 可将模拟与数字元件相结合，有助于提升电源管理解决方案的效率和可靠性。同样，ST 在碳化硅器件方面拥有近 30 年的经验，并且是首批将其推广至电动汽车的厂商之一。因此，我们过往的经验使我们能够很好地应对这一新挑战。
优化初级侧
STGAP 器件
第二部分是 DC-DC 转换器，它将机架内的 800 V 转换为每台服务器所需的 50 V。为了在如此小的空间内实现这一能力，ST 在初级侧采用了堆叠半桥配置中的 650 V 氮化镓（GaN）晶体管，以及 STGAP 电气隔离栅极驱动器。得益于其 3.4 eV 的宽禁带和 1,700 cm2/Vs 的电子迁移率，GaN 具有独特特性，能够实现较低的输出电容和更低的导通电阻，使其成为应对如此高频操作的理想材料。
优化二次侧
在二次侧，ST 使用了较低电压的 GaN 晶体管（100 V）、低压栅极驱动器以及我们的 STM32G4 微控制器。得益于其分辨率低于 200 皮秒的定时器，该 MCU 能够实现与此类转换所需开关频率相匹配的高性能控制。同样，借助 STGAP 器件的能力，ST 可以将电源转换器的初级侧和二次侧完全隔离，从而保护其免受电磁干扰和其他可能破坏如此紧凑外形的异常事件影响。
将变压器拆分为两组各四个更小的变压器
除了选择合适的器件外，ST 还需要应对极其严苛的空间限制，这意味着必须缩小磁性器件尺寸。尤其是 10 kV 隔离会占用原本分配给变压器的空间。为了减少变压器所用的磁性器件，我们将传统更大的全桥拓扑分成两组并联工作的四个更小的整流全桥。通过将变压器分成两组，我们可以减少进入磁芯的磁通量并分散散热。此外，通过使用这四个更小的全桥，我们能够采用更小的铁氧体磁芯，从而缩小整个变压器的尺寸。
这份器件与拓扑方案清单充分证明了 ST 多年来积累的深厚专业能力，也使我们的解决方案独具特色。许多厂商不得不从其他供应商处采购这些部件，而我们能够提供完整的一体化内部解决方案，这对优化工作有着显著帮助。这种新的 800 V 电源分配架构也凸显了紧凑封装、最小化寄生电感以及双面散热的重要性。的确，若器件采用较大且未优化的封装，这种小型化外形将不可能实现。然而，由于 ST 始终致力于以最小封装提供器件，我们成为了 NVIDIA 的重要合作伙伴。
从整体来看
业界正在探索构建更高效超大规模 AI 基础设施的方法，但并非所有人都在走同一条路线。例如，有些正在探索 ±400 V 系统。凭借我们的专业能力和产品组合，我们可以非常轻松地复用在功率转换器方面的工作，并适配不同的功率需求。本质上，ST 已经能够服务所有希望提升其 AI 数据中心效率和可持续性的公司。
NVIDIA 的公告与合作具有重要意义。NVIDIA 已经批准了我们的概念验证，接下来我们将着手制造这些板卡用于测试。这一里程碑彰显了合作如何改变数据中心格局，并带来几年前还难以想象的效率提升。NVIDIA 的 800 V HVDC 架构与 ST 的电源分配板代表着数据中心的一个新时代。
