Comparative analysis of 400 V AC and bipolar 800 V DC power distribution architectures for a hyperscale data center

This thesis investigates the potential benefits of adopting bipolar 800 V DC (± 400 V) power-distribution architecture in large-scale data centers, compared to a conventional low voltage AC solution. With the rapid growth of data center capacity, power efficiency, material usage, and system reliability have become critical design challenges, particularly at the distribution level. A comparative analysis is carried out between existing 400 V AC architecture and proposed DC architecture under consistent routing, load distribution, and redundancy assumptions. The study focuses on three main aspects: conductor sizing and copper usage, electrical distribution losses, and system availability and reliability. Conductor sizing is evaluated across multiple distribution levels to quantify copper mass and cable cost implications. Electrical losses are analyzed using one year of measured operational data to estimate annual energy losses. System availability is assessed using a reliability block diagram approach based on standardized component reliability data. The results show that the higher operating voltage of the DC architecture significantly reduces current levels, enabling smaller conductor cross-sections and a substantial reduction in total copper usage. Distribution losses are also reduced due to lower current-related losses and the elimination of inverter stages in the power path. From the reliability perspective, the DC architecture exhibits improved availability and reliability at both system and load levels, driven by a simplified conversion chain and a reduced number of critical components. Overall, the findings demonstrate that bipolar 800 V DC distribution represents a technically viable and advantageous alternative to conventional AC architectures for large-scale data centers, with potential benefits in efficiency, material usage, and reliability.

Questa tesi analizza i potenziali vantaggi dell’adozione di un’architettura di distribuzione dell’energia in corrente continua bipolare a 800 V (±400 V) nei data center di grande scala, rispetto a una soluzione tradizionale in bassa tensione in corrente alternata. Con la rapida crescita della capacità dei data center, l’efficienza energetica, l’utilizzo dei materiali e l’affidabilità del sistema sono diventati aspetti critici di progetto, in particolare a livello di distribuzione. Viene condotta un’analisi comparativa tra un’architettura AC esistente a 400 V e la proposta architettura DC, assumendo ipotesi coerenti su instradamento, distribuzione dei carichi e criteri di ridondanza. Lo studio si concentra su tre aspetti principali: il dimensionamento dei conduttori e l’utilizzo del rame, le perdite di distribuzione elettrica e la disponibilità e affidabilità del sistema. Il dimensionamento dei conduttori è valutato su più livelli di distribuzione al fine di quantificare la massa di rame e le implicazioni economiche dei cavi. Le perdite elettriche sono analizzate utilizzando un anno di dati operativi misurati per stimare le perdite energetiche annuali. La disponibilità del sistema è valutata mediante un approccio basato su diagrammi a blocchi di affidabilità, utilizzando dati di affidabilità standardizzati dei componenti. I risultati mostrano che la maggiore tensione di esercizio dell’architettura DC riduce significativamente i livelli di corrente, consentendo l’adozione di sezioni di conduttori inferiori e una sostanziale riduzione dell’utilizzo complessivo di rame. Le perdite di distribuzione risultano inoltre ridotte grazie alla diminuzione delle perdite legate alla corrente e all’eliminazione degli stadi di conversione a inverter nel percorso di alimentazione. Dal punto di vista dell’affidabilità, l’architettura DC presenta una disponibilità superiore sia a livello di sistema sia a livello di carico, grazie a una catena di conversione semplificata e a un numero ridotto di componenti critici. Nel complesso, i risultati dimostrano che la distribuzione in corrente continua bipolare a 800 V rappresenta un’alternativa tecnicamente valida e vantaggiosa rispetto alle architetture AC convenzionali per i data center di grande scala, offrendo potenziali benefici in termini di efficienza, utilizzo dei materiali e affidabilità.