效率峰值在 50%，为什么机架电源都挤在 80% 这一档

把电源的负载率往 50% 挪，效率能从 96.9% 抬到 97.1%，一台 24 千瓦的机架一年省 450 度电。同一笔钱要先花在多装的 4 台电源上，回收期 76 年。工作点不是被效率曲线定的，是被容量投资定的。

一条曲线的四个点

数据中心机架里的电源，效率曲线是一条中间高两边低的弧。按业界常见的 3 千瓦到 12 千瓦的图腾柱功率因数校正加 LLC 谐振方案，20% 负载时效率 94.5%，50% 到 60% 之间到顶，97.2%，80% 负载 96.9%，满载 96.0%。

弧线在 50% 附近最平，往两侧各走 30 个百分点，效率掉 0.3 到 1 个百分点不等。左侧掉得急，因为开关损耗和驱动损耗是固定开销，负载轻了摊不薄；右侧掉得缓，因为导通损耗按电流平方涨，但占比还不大。

这条曲线的形状决定了所有讨论的起点。峰值在 50%，意味着从纯效率角度看，每台电源都应该工作在半载。

峰值的位置不是设计出来的，是两类损耗相等的地方。电源的损耗分两块：一块是空载就有的固定开销，驱动、控制、风扇、磁芯的磁滞，和负载无关；另一块随负载变化，主要是导通损耗，按电流平方涨。固定损耗等于可变损耗的那个点，就是效率峰值。3 千瓦的机器，空载损耗 45 瓦上下，满载导通损耗 120 瓦上下，两者在 1.5 千瓦附近相等，峰值就落在 50%。

把峰值往右挪的办法是加大导通余量，用更粗的线、更多并联的管子，代价是成本和体积。往左挪的办法是降低空载损耗，用更好的磁芯、关掉轻载时的同步整流。曲线形状是这两笔钱的平衡结果，不是一个可以随便挑的参数。

二十四千瓦要几台

一个 24 千瓦的 IT 负载机架，常见两种配法。

第一种用 3 千瓦电源，8 台并联够用，加 1 台冗余，共 9 台。每台分担 2.67 千瓦，负载率 88.9%。按上面的曲线插值，效率落在 96.3%。

第二种用 6 千瓦电源，4 台够用，加 1 台冗余，共 5 台。每台分担 4.8 千瓦，负载率 80%，效率 96.9%。

两种配法的可用容量都是 27 千瓦和 30 千瓦，都满足 N+1。差别在台数和工作点：9 台对 5 台，88.9% 对 80%。

图 1　电源效率曲线与三种配置的工作点（依据原文第 2 节绘制）

两种机器都在标准目录里。3 千瓦和 6 千瓦是同一个图腾柱功率因数校正加 LLC 谐振平台的上下两档，磁件和管子的选型思路一样，只是并联的数量不同。往上看还有 12 千瓦的机器，2 台加 1 台冗余共 3 台，每台跑 66.7%，效率 97.0%，台数最少，工作点最靠近峰值。

大机器看起来更优，卡在另外两个地方。6 千瓦以上的单机要单独做热插拔和均流，5 台的系统还能靠自然均流，3 台的系统必须加主动均流环。另一个是 12 千瓦机器的输出电流在 50 伏母线上到 240 安，插接件和母排的规格要跳一档，机架背板的改动比换电源模块大得多。

系统效率是倒数和

多台电源并联，系统效率不是单台效率的算术平均，是输入功率之和的倒数。每台的输出功率相同、效率相同，系统效率等于单台效率；效率不一致时，系统效率由 η 的倒数的平均值再取倒数决定。

写成式子是 ηsys 等于 1 除以 n 分之一乘以各台 ηi 倒数之和。这个式子的意思是，效率最低的那台对系统的影响被放大，效率高的那台被平均掉。9 台并联时，任何一台掉 1 个百分点，系统效率掉 0.11 个百分点；5 台并联时掉 0.2 个百分点。台数少的方案对单台一致性更敏感。

均流精度也会从这里漏进系统效率。并联的电源靠输出阻抗的 droop 自然分担，阻抗公差 5% 意味着电流分配也差 5%，负载重的那台温度高、效率低，反过来又拉低整个系统。台数越多，这种偏斜的累积越明显。

差的那零点六个百分点

把两种配法摊开算。

9 台方案：24 千瓦除以 0.963，输入 24.92 千瓦，损耗 0.92 千瓦。

5 台方案：24 千瓦除以 0.969，输入 24.77 千瓦，损耗 0.77 千瓦。

差 0.15 千瓦。按全年 8760 小时连续运行，一年差 1350 度电。按 0.7 元一度算，945 元。5 台方案少装 4 台电源，采购成本本来就是低的，效率还高一点，这笔账没有悬念。

机架上的损耗还要往上乘一层。电源损耗变成热量，要靠机房空调带走，冷量本身也要耗电。按 PUE 1.2 算，0.15 千瓦的电源损耗在总表上变成 0.18 千瓦，一年 1580 度电。差别还是不大，因为基数太小。

真正的问题在后面。既然 50% 是峰值，为什么不把工作点直接压到 50%。

把工作点压到 50% 要多少容量

24 千瓦的负载，要每台电源跑在 50%，用 6 千瓦的机器需要 8 台在工作，加上冗余是 9 台，总容量 54 千瓦。相对 24 千瓦的负载，装了 2.25 倍的容量。

9 台 6 千瓦，每台分担 2.67 千瓦，负载率 44.4%，效率 97.1%。输入 24.72 千瓦，损耗 0.72 千瓦。相比 5 台方案，只省 0.05 千瓦，一年 450 度电，315 元。

多装的 4 台 6 千瓦电源，按每瓦一元的采购价是 2.4 万元。315 元一年，回收期 76 年。这个数字已经超出设备的服役年限。

曲线的平坦段是这件事的根本原因。从 80% 挪到 44%，效率只涨 0.2 个百分点，因为 50% 到 80% 这一段本来就几乎是平的。效率和容量之间不是等价的兑换，越往峰值靠，每一点效率越贵。

电费之外还有一笔更值钱的账，寿命。电源里最先坏的是电解电容和风扇，两者都按温度折寿。负载率从 89% 降到 44%，单台损耗从 103 瓦降到 40 瓦，温升按比例从 45 K 降到 17 K。电容寿命按每降 10 度翻一倍的规律估，光这一项能延五倍以上；整机还受风扇轴承和焊点限制，实际口径是 8 年拉到 15 年。

堆容量买到的是可靠性，不是电费。这也解释了为什么运营商愿意装 2.25 倍容量：他们买的不是那 0.2 个百分点，是把更换周期拉长一倍。

图 2　三种配置在 24 kW 负载下的总损耗对比（依据原文第 4、5 节绘制）

冗余粒度是另一本账

台数少的方案还有一处代价，在故障之后。

5 台方案里坏 1 台，剩 4 台要扛 24 千瓦，每台 6 千瓦，正好满载。满载效率 96.0%，系统损耗从 0.77 千瓦升到 1.0 千瓦，同时没有任何余量吸收负载波动，机架功率往上飘 5% 就会触发降频。

9 台方案里坏 1 台，剩 8 台扛 24 千瓦，每台 3 千瓦，也是满载，同样没有余量。两边的故障后状态一样紧，差别在更换窗口：5 台方案拔掉一台，容量瞬降 20%；9 台方案拔掉一台，降 11%。

台数多还有一个隐性好处，热插拔时的电流冲击小。单台 6 千瓦的输入额定电流 27 安，3 千瓦只有 14 安，上电瞬间的涌入按数倍额定走，母排上的浪涌电压和插接件的电弧寿命都跟着这个数字走。

架构换到 800 伏高压直流，这条账的形状会变。传统的交流配电要走 PSU、中间总线、板上变换、VRM 四级，高压直流把前两级合成一级，用输入串联输出并联的 GaN LLC 直接给出 50 伏，功率密度按公开综述的口径能到传统 PSU 的 20 倍以上。级数少一级，整条链的效率上移一到两个百分点，工作点怎么选反而没那么敏感了。

一句话：工作点停在 80%，因为曲线在 50% 到 80% 之间几乎是平的，堆容量换不来效率，换来的是寿命。

内容来源：IEEE Open Journal of Power Electronics（IEEE，金色开放获取）

原文标题：State-of-the-Art Power Electronics in AI Data Centers

作者：Surya Elangovan, Yi-Chia Chiu, Tejender Singh Rawat, Susmita Mistri, Aji Nurohman, Shivendra Kumar Singh

DOI：https://doi.org/10.1109/OJPEL.2026.3720942 （IEEE Open Journal of Power Electronics 2026, 7, 2434–2463）

配图说明：两张配图均由作者自行绘制，为原理示意，非原文原图复制。

改动声明：本文为对开放获取文献的技术编译与解读，标题、行文与配图为原创。

来源：21ic电子网