金元证券2025年5月发布的功率半导体报告指出，AI数据中心的爆发式增长正在催生兆瓦级供电需求，为功率半导体开辟全新增长曲线。2024-2030年，AI芯片将为数据中心IT设备负载带来每年4至9GW的新需求，在新增IT设备负载中约占70%。主流AI训练机柜正从传统的10-15kW抬升至30kW以上，高端液冷机柜甚至冲向100kW。一套高密度AI服务器机柜仅功率半导体用料就高达1.2-1.5万美元，包括24只PSU、36块GPU板、18块48V母线转换板、超过300颗保护器件。第三代半导体材料（SiC/GaN）是实现高效率供电的关键，可将电源链总效率从85%提升至90%以上。2025年5月，Navitas宣布其GaNSafe™+Fast-SiC器件被NVIDIA选为下一代800V架构关键元件。
AI数据中心：兆瓦级供电需求催生功率半导体增量
全球算力设备能耗随人工智能需求爆发大幅增长。算力设备是能耗和碳排放的重要来源。2024年-2030年，AI芯片将为数据中心IT设备负载带来每年4至9GW的新需求，在数据中心新增的全部IT设备负载约占70%。
降低传输损耗是供配电系统的重点方向。传统供配电系统组成复杂，包括变压器、UPS、配电柜等多套设备，同时传统UPS供电方案电能损耗较大，能效比较低。高效UPS、UPS智能在线模式和电力模块等节能技术已经开始规模化应用。
AI数据中心对功率半导体的需求不仅体现在数量上，更体现在性能和可靠性要求上。高密度AI服务器对电源转换效率、功率密度、热管理提出了更高要求，推动了第三代半导体材料在数据中心供电系统中的渗透。
从功耗密度趋势看，AI训练机柜的功率密度正在快速攀升。主流AI训练机柜正从传统的10-15kW抬升至30kW以上，高端液冷机柜甚至冲向100kW。英伟达GB200 NVL72机架功率已逼近兆瓦级别，传统54V直流配电方式已然陷入瓶颈——电流过大需配备庞大铜母线与电源架，在兆瓦级计算节点中，电源设备可能占据整个机架空间，根本无法留出计算资源位置。英伟达估算，一座兆瓦级机架若仍采用54V直流架构，电源设备可能高达64U机架单位，已无法在现实中部署。
800V HVDC：第三代半导体材料催生新架构
AI驱动的数据中心时代，千瓦级的供电标准早已无法匹配AI模型对能耗的极端需求。从变电站进入数据中心约13.8kV交流电在边界处通过工业级整流器一次性转换为800V HVDC，随后通过两根导线直达设备排与IT机架，实现“交流一次转换，直流全程传输”的高度简化电力流动路径。
全新的800V高压直流（HVDC）集中供电方式，落地高度依赖于高性能功率半导体材料的支撑。800V HVDC需要高压、高效率的功率器件，SiC MOSFET和GaN HEMT是理想选择。
典型AI服务器的电源链可拆解为三段：AC/DC 277V→48V（PSU）、DC/DC 48V→12V（母线转换）、DC/DC 12V→0.8-1.8V（POL/VR）。传统方案链路总效率仅约85%，使用第三代半导体材料（SiC/GaN）可将系统效率显著提升。
以英飞凌方案为例，通过GaN PFC + SiC同步整流、80V OptiMOS™ MOSFET IBC以及高功率密度多相VR，将三段效率分别推高至98%、98%、94%，系统效率提升至约90%。Wolfspeed研究表明，1200V SiC MOSFET和1200V IGBT在相同驱动电流下，SiC MOSFET的导通损耗仅为IGBT的一半，且通过消除关断拖尾电流，其开关损耗相比IGBT可降低多达90%。
高效率的实现离不开第三代半导体材料的应用。碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体器件凭借其优异的物理特性，正逐步渗透到PSU（电源供应单元）领域。2025年5月，Navitas宣布其GaNSafe™+Fast-SiC器件被NVIDIA选为下一代800V架构关键元件，并透露已实现PFC峰值效率99.3%，标志着第三代半导体在AI数据中心供电系统中的关键地位得到验证。
单机柜功率半导体价值量：1.2-1.5万美元
一套高密度AI服务器机柜的功率半导体用料价值量极为可观。根据英飞凌数据，单套AI服务器机柜的功率半导体价值量高达1.2-1.5万美元，包括以下核心组件：
24只PSU（电源供应单元）：每只PSU包含PFC级GaN/SiC器件、LLC级Si MOSFET和同步整流器件。随着PSU功率从3kW向5.5kW升级，PSU用功率半导体价值量持续提升。36块GPU板：每块GPU板包含多相VR功率级（DrMOS/SPS）、48V-12V母线转换器、热插拔保护器件等。18块48V母线转换板：将48V母线电压转换为12V，供GPU、CPU等负载使用。超过300颗保护器件：包括eFuse、热插拔控制器、OR-ing FET等，用于系统保护和冗余设计。
AI数据中心对功率半导体的需求不仅限于服务器机柜内部，还包括UPS、配电柜、PDU（电源分配单元）等基础设施。随着数据中心规模扩大和功率密度提升，功率半导体在数据中心总BOM中的占比有望从目前的约3-5%提升至8-10%。
功率半导体在AI数据中心中的长期增长逻辑
AI数据中心对功率半导体的需求增长具有长期性和结构性特征。2024-2030年，AI芯片将为数据中心IT设备负载带来每年4至9GW的新需求，对应功率半导体市场增量约5-10亿美元/年（按每GW功率半导体用量约1-1.5亿美元估算）。
结构性增长来自三个方向：第一，PSU功率密度提升，从3kW向5.5kW升级，对GaN/SiC等宽禁带器件的需求增加；第二，电压平台升级，从12V母线向48V母线过渡，再到800V HVDC集中供电，推动高压功率器件需求；第三，AI芯片功耗持续增长，英伟达B200单芯片功耗达1000W，GPU板级供电方案持续升级。
长期来看，AI数据中心有望成为继新能源汽车之后功率半导体的第二大增长驱动力。Yole预测，AI算力中心等新兴行业对碳化硅器件的需求年复合增速将高达56.4%，碳化硅器件在新兴行业中的渗透率将由2024年的4.7%提升至2029年的17.1%。
投资方向上，AI数据中心功率半导体建议关注：新洁能（SiC MOSFET应用于AI服务器电源）、扬杰科技（SiC工厂投产，AI服务器电源客户导入）、华润微（SiC MOS/IGBT应用于服务器电源）、三安光电（SiC器件全产业链布局）。
表：AI服务器机柜功率半导体组件清单| 组件 | 数量 | 主要功率器件 |
|---|
| PSU（电源供应单元） | 24只 | PFC GaN/SiC、LLC Si MOSFET |
| GPU板 | 36块 | DrMOS/SPS、48V-12V转换器 |
| 48V母线转换板 | 18块 | 80V OptiMOS MOSFET |
| 保护器件 | 300+颗 | eFuse、热插拔控制器 |
| 合计功率半导体价值量 | 1.2-1.5万美元 |
