高電圧直流給電（HVDC）と48V/DCバスバー：データセンター給電の潮流

給電方式は「変換段の数」で効率が決まる

データセンターの給電効率を左右する最大の要因は、電圧の高さでも配線の太さでもなく、商用電源からチップのコア電圧に届くまでに直流と交流を何回往復したか です。各変換段（AC-DC、DC-AC、DC-DC）はそれぞれ数パーセントの損失を持ち、これらは直列に掛け算で効いてきます。総効率が η_total = η1 × η2 × η3 × … で表される以上、段数を減らすことが効率改善の最短経路になります。HVDC（High Voltage DC）給電と48V DCバスバーは、いずれも「不要な変換段を消す」という同じ思想から生まれた方式です。

スイッチング電源そのものがなぜ高効率かは /power/smps-principles/、受電からラックまでの系統と冗長は /power/datacenter-power-architecture/ を前提とします。

従来AC給電は直流と交流を何度も往復している

まず、なぜ従来方式に無駄が多いのかを変換段で数えます。典型的なAC UPS構成のサーバー1台までのパスは次の通りです。

従来AC給電の変換段（直流⇔交流の往復に注目）

  商用AC(三相 200/400V)
    │  ① 整流  AC → DC        ← UPSの入力段（充電・バス生成）
  UPS 直流バス
    │  ② インバータ DC → AC    ← 出力をACに戻す（系統と同じ形へ）
  PDU 経由のAC(例 208/230V)
    │  ③ PSU整流＋PFC AC → DC   ← サーバー電源（[/power/pfc-principles/] のPFC段）
  PSU内部 直流バス(約400V)
    │  ④ 絶縁DC-DC  400V → 12V  ← 絶縁・降圧
  マザーボード 12V
    │  ⑤ VRM(POL)  12V → 0.8V等 ← コア電圧へ最終降圧
  CPU/GPU コア

注目すべきは①と②です。UPSはバッテリ充電と瞬断吸収のために一度ACをDCに整流しますが、出力をPDUへ送るために再びACへ戻しています。サーバーのPSUはそれをまた整流するので、DC → AC → DC という往復が丸ごと無駄になっています。各段が98%効率でも、5段直列なら 0.98^5 ≒ 0.90 で、約10%が熱として失われる計算です。

HVDC給電 ── インバータ段を丸ごと消す

HVDC給電は、UPSが作った直流バスをACに戻さず、直流のままPDU・サーバーへ配る方式です。代表的な電圧は単極の240/380V系や、近年データセンターで採用が進む±400V（中性点接地で対地±400V、線間800V級）です。先のパスから②のインバータ段が消え、サーバー側もPFC付き整流（③）が不要になり、PSUは絶縁DC-DC（④）から始められます。

HVDC給電（②インバータ と ③PSU整流 を削除）

  商用AC → ① 整流 → HVDC バス(例 380V / ±400V DC)
                          │  （ACに戻さず直流のまま配電）
                        各サーバー
                          │  ④ 絶縁DC-DC  HVDC → 12V/48V
                          │  ⑤ POL → コア電圧

DC配電の物理的利点は3つあります。第一に力率・高調波の問題が配電側に存在しないこと。直流には無効電力も2ω脈動もなく、/power/three-phase-power/ で扱う相バランスや中性線高調波の悩みから配電区間が解放されます。第二に整流回数の削減。第三に冗長電源の並列が容易な点で、複数のHVDC電源を同一バスにダイオードOR的に並列接続でき、無瞬断で増減できます。

48V DCバスバー ── 銅損をI^2Rで叩く

OCP（Open Compute Project）のOpen Rackが広めた48V DCバスバーは、HVDCとは別の角度から段数と損失を攻めます。狙いはラック内配電の電流を下げることです。

従来の12Vバスバー（旧Open Rack v1）では、同じ電力を低い電圧で送るため電流が大きくなります。電力は P = V × I なので、電圧を12Vから48Vへ4倍にすれば、同じ電力を送る電流 I = P / V は1/4になります。配線抵抗での損失（銅損）は P_loss = I^2 × R と電流の2乗に比例するため、電流1/4は損失1/16です。

同じ電力をラックへ送るときのバスバー電流と銅損

  ラック負荷 P = 12 kW、バスバー抵抗 R を一定と仮定

  12V系:  I = 12000 / 12  = 1000 A   → 銅損 ∝ 1000^2 = 1.0（基準）
  48V系:  I = 12000 / 48  =  250 A   → 銅損 ∝  250^2 = 0.0625（1/16）

  → 電圧4倍で配電電流1/4、ラック内バスバー損失は約1/16に激減

さらにOpen Rackでは、サーバーごとに積んでいたAC-DC PSUを廃し、ラック上部または側面の整流棚（Power Shelf）に集約します。整流棚がAC（またはHVDC）を48Vへ一括変換し、ラック共通の銅バスバーへ流す。各ボードは 48V → コア電圧 の降圧1段（中間バスとして48V→12Vを挟む2段構成も多い）だけを持てばよく、サーバーごとの整流段が消えます。集約により電源の負荷率を高く保て、整流棚自体の効率も上がります。バスバー降圧の段数とトポロジ選択は /power/dcdc-topology-map/ の系統で整理できます。

方式の比較 ── どこで損失を削るか

3方式を、削減する変換段・主な損失低減・代償の観点で並べます。

実システムではこれらは排他ではなく重畳します。HVDCでラックまで直流を運び、ラック整流棚で48Vバスバーへ落とし、ボードでコア電圧まで降圧する、という組み合わせが効率上は最も合理的です。上流の往復ロスと末端の銅損を別々の方式で同時に潰せるためです。

AIサーバー高密度化が採用を押し上げる

この潮流を加速させているのがAIサーバーの電力密度です。GPUを多数搭載するラックは一台あたり数十kW、最新世代では1ラック100kW級に達します。ここで効いてくるのが先の I = P / V です。電力が10倍に増えれば、同じ電圧では配電電流も10倍になり、銅損は100倍に膨らみます。電流を抑えるには電圧を上げるしかなく、12Vでは物理的に成立しなくなる——これが48V化、さらに上流のHVDC化を必須にしている根本理由です。

• 配線断面積: 1ラック100kWを12Vで送ると電流は約8000Aに達し、必要な銅の断面積が非現実的になる。48Vなら約2000A、HVDC 400Vなら約250Aで、導体量と発熱が桁で変わる。
• 熱密度: ラック内損失がそのまま発熱になるため、銅損削減は冷却負荷の削減に直結する。高密度ラックでは給電効率が冷却設計の前提条件になる。
• PUEと総コスト: 変換段で捨てる電力は二重のコスト（電気代＋冷却の電気代）になる。段数削減はPUE改善とTCO削減に同時に効く。

まとめ

• 給電効率は変換段の数で決まり、総効率は各段効率の 掛け算 η_total = η1 × η2 × … になる。改善の本筋は「効率を磨く」より「不要な段を消す」こと。
• 従来AC給電はUPSで DC → AC → DC の往復が生じる。HVDC給電 はインバータ段とPSUの整流（PFC）段を除去し、直流のまま配電して力率・高調波の悩みも配電区間から消す。代償はDCアーク遮断と保護のDC専用化。
• 48V DCバスバー（OCP/Open Rack）はサーバー個別PSUを整流棚に集約し、I = P / V で電流を1/4に、I^2R 銅損を12V比 1/16 に削る。48Vは安全特別低電圧（DC約60V）の内側という安全上の根拠を持つ。
• HVDC＋48V併用 が効率上は最適で、上流の往復ロスと末端の銅損を別方式で同時に潰せる。
• AIサーバーの高密度化（1ラック数十〜100kW級）が低電圧大電流を物理的に破綻させ、48V化・HVDC化を必須にしている。給電効率は冷却・PUE・TCOに直結する。
• 前提となるSMPSの効率原理は /power/smps-principles/、PFC段は /power/pfc-principles/、降圧トポロジは /power/dcdc-topology-map/、系統と冗長は /power/datacenter-power-architecture/、三相配電は /power/three-phase-power/ を参照。