通往智慧能源管理的道路：智能电表电源时挑战

1.前言

智能电表是智能用电的重要组成部分，是实现双向互动智能用电的"末端神经;，支持双向计量、自动采集、阶梯电价、分时电价、冻结、控制、监测等功能。另外，智能电能表还可以为用户提供很多用电服务，包括分布式电源计量、互动服务、智能家居、智能小区等。我国电表行业经历过机械制电表、普通电子式电表、预付费电表以及现在基本全面普及的智能电表阶段。

安装了智能电表的用户和公用事业都可以避免所有这些痛苦和压力。这种电表无需任何人工干预即可将电表读数传达给公用事业，从而消除了临时或估算计费的需要。例如，在有些城市，智能电表已为救助灾民和消费者提供帮助。在封锁期间，跨消费者细分市场（家庭、工业和商业）的多达200000个智能电表，可通过实时读数收集350000笔账单。他们还帮助在封锁期间免除了每月超过15万次访问消费者的房屋。

下一代智能电表将在传统的计量业务之外，搭载更多的功能。可实现系统内业务（运维支撑、计量、有序用电管理）和泛在业务（全域电气消防、新能源接入、能效管理、水气数据采集、居室防盗、储能管理、其他应用等）。下一代智能电表应用物联网技术，是"两网;建设的关键智能终端产品之一，对于电网实现信息化、 自动化 、智能化具有重要支撑作用。随着"泛在电力物联网;建设的推进和落实，以及电能表存量更换需求推动，下一代智能电表将有广阔的市场空间。

2.下一代智能电表电源设计

大多数电源使用基于铁氧体磁芯的变压器，这种变压器既便宜又高效，但容易受到放置在几厘米外的永久稀土磁体产生的强磁场的影响。一旦磁铁靠近变压器附近，它就会使变压器饱和并产生过载情况，从而损坏开关（MOSFET/双极结型晶体管 [BJT]），并破坏电源。即使电源控制器集成了变压器铁芯饱和保护功能，电源也会进入保护模式。计量模块将没有可用的电源，因此没有计量。然而，这是仪表最重要的功能。为了在任何篡改尝试期间保持持续运行，一种选择是用磁屏蔽材料屏蔽变压器。但这是一种昂贵的替代方案，并且会增加组装成本——因为每个铁氧体变压器都需要屏蔽。

另一种选择是使用高磁阻粉末铁芯代替铁氧体。与铁氧体的 0.4-0.5 特斯拉相比，粉末铁芯的磁通密度要高得多，为 1.2-1.4 特斯拉。它的成本低于在变压器周围放置磁屏蔽罩，但会遭受较高的磁芯损耗，这会显着降低电源效率。然而，这个缺点在智能电表电源中可能并不特别显着。智能电表的峰值功耗会跃升至 1W-10W 水平，具体取决于所使用的无线通信协议。智能电表的峰值功耗会跃升至 1W-10W 水平，具体取决于所使用的无线通信协议。sub 1GHz，峰值功耗在0.5W左右；ZigBee 约为 1W，全球移动通信系统 (GSM) 约为 10W。

电表本身在其大部分运行寿命中的功耗通常低于 1W，这受公用事业公司的能效法规的约束。这种高轻负载效率是平均功耗的主要贡献者。有几种方法可以提高低/轻负载时的效率，例如减少开关控制器的静态量、使用带有高压启动集成电路的初级侧控制器，或者使用包含频率和幅度混合的开关控制器调制。随着负载的降低，开关频率和电流的降低会降低铁芯损耗，从而证明使用粉末铁芯变压器是合理的。

高工作电压在智能电表中是必不可少的，以防止单相电表意外连接到两相 (500V AC ) 或三相电表的三相中的每一相中存在 300V AC。但这种高电压会增加电源复杂性、组件数量和成本。

反激式拓扑是智能电表电源设计中最简单的拓扑。在反激式拓扑中，开关元件必须承受高达 1000V 的电压 ：730V DC  ( 300VAC *√3 *√2)  加上 220V DC钳位电压加上由于缓冲二极管导通延迟导致的50V DC过冲。假设降额 15%，开关元件的额定电压应为 1200V。开关转换器（内置 700V/800V MOSFET）在级联配置中使用另一个 500V MOSFET 以满足 1200V 的要求。另一种低成本技术使用带有开关控制器的单个 1200V BJT 来处理高压保护。相同电压和电流额定价格的BJT成本是MOSFET价格的三分之一。