技术领域
本发明涉及PFC整流电路，应用于交流输入、直流输出的高质量电能变换场合，如：微能量收集系统、新能源发电系统、蓄电池充电系统、LED照明系统等，尤其是一种无桥ZetaPFC整流电路。
背景技术
PFC整流电路是一种具有功率因数校正(PFC)功能的能将交流电能转换成直流电能的电路，可提高直流负载对交流电源的利用率并且减小电流谐波对交流母线或交流电网的污染。
传统ZetaPFC整流电路是一种PFC整流电路，其主电路一般由桥式整流电路级联Zeta电路而成。为了减小桥式整流电路的损耗，无桥ZetaPFC整流电路应运而生。无桥zetaPFC整流电路主要通过减少通路中导通器件数目的办法来达到提升电路效率的目的。
早期，Si材料的BJT具有较大的驱动损耗、较高的开关损耗、较大的器件动态阻抗等缺点。因此，为了获得低功耗，中小功率的无桥ZetaPFC整流电路中的全控型器件大多采用MOSFET。但是，MOSFET是电压型驱动器件，与电流型驱动器件BJT相比，MOSFET的驱动电路要比BJT的驱动电路更复杂。尤其在超低压或高压的工作环境中，MOSFET驱动电路的设计难度相当大。
发明内容
为克服现有MOSFET型无桥ZetaPFC整流电路中MOSFET驱动电路复杂、驱动效率较低、自启动性能较差的不足，本发明提供一种简化驱动电路结构、驱动效率较高、同时获得易自启动的性能的自激式BJT型无桥ZetaPFC整流电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种自激式BJT型无桥ZetaPFC整流电路，包括输入电容Ci、PNP型BJT管Q1、PNP型BJT管Q2、NPN型BJT管Q3、NPN型BJT管Q4、PNP型BJT管Q5、PNP型BJT管Q6、二极管D1、二极管D2、电感L1、电感L2、电容Cs、输出电容Co、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和用于通过端口a控制PNP型BJT管Q1的基极电流从而实现对PNP型BJT管Q1工作状态的控制以及通过端口b控制PNP型BJT管Q2的基极电流从而实现对PNP型BJT管Q2工作状态的控制的受控电流源组M1，输入电容Ci的一端同时与交流电源vac的正端、电阻R4的一端、PNP型BJT管Q1的发射极、PNP型BJT管Q5的发射极、NPN型BJT管Q3的发射极以及电阻R2的一端相连，PNP型BJT管Q1的集电极同时与电阻R3的一端、电阻R6的一端、PNP型BJT管Q2的集电极、电容Cs的一端以及电感L1的一端相连，电容Cs的另一端同时与二极管D1的阴极以及二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与电感L2的一端相连，电感L2的另一端同时与输出电容Co的一端、输出电压Vo的正端以及负载Z1的一端相连，输出电容Co的另一端同时与输出电压Vo的负端、负载Z1的另一端、二极管D1的阳极、电感L1的另一端、NPN型BJT管Q3的集电极以及NPN型BJT管Q4的集电极相连，NPN型BJT管Q4的发射极同时与电阻R5的一端、PNP型BJT管Q6的发射极、PNP型BJT管Q2的发射极、电阻R1的一端、输入电容Ci的另一端、交流电源vac的负端相连，NPN型BJT型Q3的基极与电阻R1的另一端相连，NPN型BJT管Q4的基极与电阻R4的另一端相连，PNP型BJT管Q5的基极同时与电阻R2的另一端以及电阻R3的另一端相连，PNP型BJT管Q6的基极同时与电阻R5的另一端以及电阻R6的另一端相连，PNP型BJT管Q1的基极同时与PNP型BJT管Q5的集电极以及受控电流源组M1的端口a相连，PNP型BJT管Q2的基极同时与PNP型BJT管Q6的集电极以及受控电流源组M1的端口b相连。
进一步，电阻R1两端并联加速电容C1，电阻R3两端并联加速电容C2，电阻R4两端并联加速电容C3，电阻R6两端并联加速电容C4。该方案能加速所述自激式BJT型无桥ZetaPFC整流电路的动态特性。
再进一步，所述受控电流源组M1包括NPN型BJT管Qa1、NPN型BJT管Qa2、NPN型BJT管Qa3、NPN型BJT管Qa4、电阻Ra1、电阻Ra2、电阻Ra3、电阻Ra4、电阻Ra5和电阻Ra6，NPN型BJT管Qa1的集电极为受控电流源组M1的端口a，NPN型BJT管Qa3的集电极为受控电流源组M1的端口b，NPN型BJT管Qa1的发射极同时与电阻Ra2的一端以及电阻Ra3的一端相连，NPN型BJT管Qa2的基极与电阻Ra2的另一端相连，NPN型BJT管Qa2的集电极同时与NPN型BJT管Qa1的基极以及电阻Ra1的一端相连，电阻Ra1的另一端与交流电源vac的正端相连，NPN型BJT管Qa3的发射极同时与电阻Ra5的一端以及电阻Ra6的一端相连，NPN型BJT管Qa4的基极与电阻Ra5的另一端相连，NPN型BJT管Qa4的集电极同时与NPN型BJT管Qa3的基极以及电阻Ra4的一端相连，电阻Ra4的另一端与交流电源vac的负端相连，NPN型BJT管Qa2的发射极同时与电阻Ra3的另一端、电阻Ra6的另一端、NPN型BJT管Qa4的发射极以及输出电压Vo的负端相连。所述自激式BJT型无桥ZetaPFC整流电路具有输入电流限流保护功能。
更进一步，所述受控电流源组M1包括NPN型BJT管Qb1、NPN型BJT管Qb2、NPN型BJT管Qb3、NPN型BJT管Qb4、电阻Rb1、电阻Rb2、电阻Rb3、电阻Rb4、电阻Rb5、电阻Rb6、电阻Rb7、电阻Rb8和电容Cb1，电阻Rb3的一端为受控电流源组M1的端口a，电阻Rb6的一端为受控电流源组M1的端口b，电阻Rb3的另一端与NPN型BJT管Qb1的集电极相连，NPN型BJT管Qb1的基极与电阻Rb2的一端相连，电阻Rb2的另一端同时与电阻Rb1的一端以及NPN型BJT管Qb2的集电极相连，电阻Rb1的另一端与交流电源vac的正端相连，电阻Rb6的另一端与NPN型BJT管Qb3的集电极相连，NPN型BJT管Qb3的基极与电阻Rb5的一端相连，电阻Rb5的另一端同时与电阻Rb4的一端以及NPN型BJT管Qb4的集电极相连，电阻Rb4的另一端与交流电源vac的负端相连，NPN型BJT管Qb2的基极同时与NPN型BJT管Qb4的基极、电容Cb1的一端、电阻Rb8的一端以及电阻Rb7的一端相连，电阻Rb7的另一端与输出电压Vo的正端相连，NPN型BJT管Qb1的发射极同时与NPN型BJT管Qb3的发射极、NPN型BJT管Qb2的发射极、NPN型BJT管Qb4的发射极、电容Cb1的另一端、电阻Rb8的另一端以及输出电压Vo的负端相连。所述自激式BJT型无桥ZetaPFC整流电路具有输出稳压功能。
本发明的技术构思为：随着新型半导体材料器件的发展，新材料(如SiC)的BJT已表现出了较小的驱动损耗、很低的电阻系数、较快的开关速度、较小的温度依赖性、良好的短路能力以及不存在二次击穿等诸多优点。在中小功率的无桥ZetaPFC整流电路中采用新材料的BJT，不但可以获得低功耗，而且还可以简单化全控型器件的驱动电路。
无桥ZetaPFC整流电路中的全控型器件采用BJT，利用BJT工作性能的优点并运用自激电路技术可同时实现电路简单、高效率、易自启动等性能。
本发明的有益效果主要表现在：自激式BJT型无桥ZetaPFC整流电路具有将交流电能高质量地转换成直流电能的能力，而且输出直流电压可以大于、小于或等于输入交流电压的幅值，电路简单、驱动效率高、自启动容易、适合于多种控制方法。
附图说明
图1是本发明基本的电路结构示意图。
图2是本发明加速动态特性后的电路结构示意图。
图3是本发明实施例1的电路图。
图4是本发明实施例2的电路图。
图5是本发明实施例1的仿真工作波形图。
图6是本发明实施例1的仿真工作波形细节图。
图7是本发明实施例2的仿真工作波形图。
图8是本发明实施例2的仿真工作波形细节图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种自激式BJT型无桥ZetaPFC整流电路，包括输入电容Ci、PNP型BJT管Q1、PNP型BJT管Q2、NPN型BJT管Q3、NPN型BJT管Q4、PNP型BJT管Q5、PNP型BJT管Q6、二极管D1、二极管D2、电感L1、电感L2、电容Cs、输出电容Co、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和用于通过端口a控制PNP型BJT管Q1的基极电流从而实现对PNP型BJT管Q1工作状态的控制以及通过端口b控制PNP型BJT管Q2的基极电流从而实现对PNP型BJT管Q2工作状态的控制的受控电流源组M1，输入电容Ci的一端同时与交流电源vac的正端、电阻R4的一端、PNP型BJT管Q1的发射极、PNP型BJT管Q5的发射极、NPN型BJT管Q3的发射极以及电阻R2的一端相连，PNP型BJT管Q1的集电极同时与电阻R3的一端、电阻R6的一端、PNP型BJT管Q2的集电极、电容Cs的一端以及电感L1的一端相连，电容Cs的另一端同时与二极管D1的阴极以及二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与电感L2的一端相连，电感L2的另一端同时与输出电容Co的一端、输出电压Vo的正端以及负载Z1的一端相连，输出电容Co的另一端同时与输出电压Vo的负端、负载Z1的另一端、二极管D1的阳极、电感L1的另一端、NPN型BJT管Q3的集电极以及NPN型BJT管Q4的集电极相连，NPN型BJT管Q4的发射极同时与电阻R5的一端、PNP型BJT管Q6的发射极、PNP型BJT管Q2的发射极、电阻R1的一端、输入电容Ci的另一端、交流电源vac的负端相连，NPN型BJT型Q3的基极与电阻R1的另一端相连，NPN型BJT管Q4的基极与电阻R4的另一端相连，PNP型BJT管Q5的基极同时与电阻R2的另一端以及电阻R3的另一端相连，PNP型BJT管Q6的基极同时与电阻R5的另一端以及电阻R6的另一端相连，PNP型BJT管Q1的基极同时与PNP型BJT管Q5的集电极以及受控电流源组M1的端口a相连，PNP型BJT管Q2的基极同时与PNP型BJT管Q6的集电极以及受控电流源组M1的端口b相连。
进一步，电阻R1两端并联加速电容C1，电阻R3两端并联加速电容C2，电阻R4两端并联加速电容C3，电阻R6两端并联加速电容C4。该方案能加速所述自激式BJT型无桥ZetaPFC整流电路的动态特性。
实施例1：参照图1、图3、图5和图6，本发明实施例1具有输入电流限流保护功能，它由输入电容Ci、PNP型BJT管Q1、PNP型BJT管Q2、NPN型BJT管Q3、NPN型BJT管Q4、PNP型BJT管Q5、PNP型BJT管Q6、二极管D1、二极管D2、电感L1、电感L2、电容Cs、输出电容Co、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、受控电流源组M1组成。其中，受控电流源M1又由NPN型BJT管Qa1、NPN型BJT管Qa2、NPN型BJT管Qa3、NPN型BJT管Qa4、电阻Ra1、电阻Ra2、电阻Ra3、电阻Ra4、电阻Ra5、电阻Ra6组成。
如图3所示，输入电容Ci的一端同时与交流电源vac的正端、电阻R4的一端、PNP型BJT管Q1的发射极、PNP型BJT管Q5的发射极、NPN型BJT管Q3的发射极以及电阻R2的一端相连，PNP型BJT管Q1的集电极同时与电阻R3的一端、电阻R6的一端、PNP型BJT管Q2的集电极、电容Cs的一端以及电感L1的一端相连，电容Cs的另一端同时与二极管D1的阴极以及二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与电感L2的一端相连，电感L2的另一端同时与输出电容Co的一端、输出电压Vo的正端以及负载Z1的一端相连，输出电容Co的另一端同时与输出电压Vo的负端、负载Z1的另一端、二极管D1的阳极、电感L1的另一端、NPN型BJT管Q3的集电极以及NPN型BJT管Q4的集电极相连，NPN型BJT管Q4的发射极同时与电阻R5的一端、PNP型BJT管Q6的发射极、PNP型BJT管Q2的发射极、电阻R1的一端、输入电容Ci的另一端、交流电源vac的负端相连，NPN型BJT型Q3的基极与电阻R1的另一端相连，NPN型BJT管Q4的基极与电阻R4的另一端相连，PNP型BJT管Q5的基极同时与电阻R2的另一端以及电阻R3的另一端相连，PNP型BJT管Q6的基极同时与电阻R5的另一端以及电阻R6的另一端相连，PNP型BJT管Q1的基极同时与PNP型BJT管Q5的集电极以及受控电流源组M1的端口a相连，PNP型BJT管Q2的基极同时与PNP型BJT管Q6的集电极以及受控电流源组M1的端口b相连，NPN型BJT管Qa1的集电极为受控电流源组M1的端口a，NPN型BJT管Qa3的集电极为受控电流源组M1的端口b，NPN型BJT管Qa1的发射极同时与电阻Ra2的一端以及电阻Ra3的一端相连，NPN型BJT管Qa2的基极与电阻Ra2的另一端相连，NPN型BJT管Qa2的集电极同时与NPN型BJT管Qa1的基极以及电阻Ra1的一端相连，电阻Ra1的另一端与交流电源vac的正端相连，NPN型BJT管Qa3的发射极同时与电阻Ra5的一端以及电阻Ra6的一端相连，NPN型BJT管Qa4的基极与电阻Ra5的另一端相连，NPN型BJT管Qa4的集电极同时与NPN型BJT管Qa3的基极以及电阻Ra4的一端相连，电阻Ra4的另一端与交流电源vac的负端相连，NPN型BJT管Qa2的发射极同时与电阻Ra3的另一端、电阻Ra6的另一端、NPN型BJT管Qa4的发射极以及输出电压Vo的负端相连。
图5是本发明实施例1的仿真工作波形图，图6是本发明实施例1的仿真工作波形细节图，其稳态工作原理如下：
当vac>0时，交流电源vac处于正半周(即ta2<t<ta3)；当vac<0时，交流电源vac处于负半周(即ta1<t<ta2)。Q4在交流电源vac正半周导通、负半周截止，Q3在交流电源vac正半周截止、负半周导通。
(1)在交流电源vac正半周内，Q2截止，Q1自激工作
当Q1导通时(即ta21<t<ta22)，vac、Q1、L1、Q4构成一个回路，vac、Q1、Cs、D2、L2、Co、Z1、Q4构成另一个回路，L1充磁，输入电流iac、L1的电流iL1、Q1的集电极电流iQc1均增加，Cs放电，电容电压VCs减小，L2充磁，L2的电流iL2增加。随着iQc1的增加，在Q5和受控电流源组M1端口a的作用下Q1的工作状态逐渐从饱和区向放大区、截止区转移。在Q1从导通状态刚进入截止状态的时刻，
其中max()为取最大值函数，VBE_Qa1为Qa1的基极-发射极导通压降，VBE_Qa2为Qa2的基极-发射极导通压降，β_Qa1为Qa1的共发射极电流增益，β_Q1为Q1的共发射极电流增益。当Q1截止时(即ta22<t<ta23)，L1、D1、Cs构成一个回路，D2、L2、Co、Z1、D1构成另一个回路，L1放磁，L1的电流iL1减小，Cs充电，电容电压VCs增加，L2放磁，L2的电流iL2减小。当D1的电流iD1减小至零，D1截止，Q1重新导通，周而复始。
(2)在交流电源vac负半周内，Q1截止，Q2自激工作
同理，当Q2导通时，vac、Q2、L1、Q3构成一个回路，vac、Q2、Cs、D2、L2、Co、Z1、Q3构成另一个回路，L1充磁，输入电流iac反向增加，L1的电流iL1和Q2的集电极电流iQc2则正向增加，Cs放电，电容电压VCs减小，L2充磁，L2的电流iL2增加。随着iQc2的增加，在Q6和受控电流源组M1端口b的作用下Q2的工作状态逐渐从饱和区向放大区、截止区转移。在Q2从导通状态刚进入截止状态的时刻，
其中max()为取最大值函数，VBE_Qa3为Qa3的基极-发射极导通压降，VBE_Qa4为Qa4的基极-发射极导通压降，β_Qa3为Qa3的共发射极电流增益，β_Q2为Q2的共发射极电流增益。当Q2截止时，L1、D1、Cs构成一个回路，D2、L2、Co、Z1、D1构成另一个回路，L1放磁，L1的电流iL1减小，Cs充电，电容电压VCs增加，L2放磁，L2的电流iL2减小。当D1的电流iD1减小至零，D1截止，Q2重新导通，周而复始。
由上述可知，本发明实施例1的输入电流iac的峰值受到受控电流源组M1的限制。
实施例2：参照图1、图4、图7和图8，本发明实施例2具有输出稳压功能，它由输入电容Ci、PNP型BJT管Q1、PNP型BJT管Q2、NPN型BJT管Q3、NPN型BJT管Q4、PNP型BJT管Q5、PNP型BJT管Q6、二极管D1、二极管D2、电感L1、电感L2、电容Cs、输出电容Co、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、受控电流源组M1组成。其中，受控电流源组M1又由NPN型BJT管Qb1、NPN型BJT管Qb2、NPN型BJT管Qb3、NPN型BJT管Qb4、电阻Rb1、电阻Rb2、电阻Rb3、电阻Rb4、电阻Rb5、电阻Rb6、电阻Rb7、电阻Rb8、电容Cb1组成。
如图4所示，输入电容Ci的一端同时与交流电源vac的正端、电阻R4的一端、PNP型BJT管Q1的发射极、PNP型BJT管Q5的发射极、NPN型BJT管Q3的发射极以及电阻R2的一端相连，PNP型BJT管Q1的集电极同时与电阻R3的一端、电阻R6的一端、PNP型BJT管Q2的集电极、电容Cs的一端以及电感L1的一端相连，电容Cs的另一端同时与二极管D1的阴极以及二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与电感L2的一端相连，电感L2的另一端同时与输出电容Co的一端、输出电压Vo的正端以及负载Z1的一端相连，输出电容Co的另一端同时与输出电压Vo的负端、负载Z1的另一端、二极管D1的阳极、电感L1的另一端、NPN型BJT管Q3的集电极以及NPN型BJT管Q4的集电极相连，NPN型BJT管Q4的发射极同时与电阻R5的一端、PNP型BJT管Q6的发射极、PNP型BJT管Q2的发射极、电阻R1的一端、输入电容Ci的另一端、交流电源vac的负端相连，NPN型BJT型Q3的基极与电阻R1的另一端相连，NPN型BJT管Q4的基极与电阻R4的另一端相连，PNP型BJT管Q5的基极同时与电阻R2的另一端以及电阻R3的另一端相连，PNP型BJT管Q6的基极同时与电阻R5的另一端以及电阻R6的另一端相连，PNP型BJT管Q1的基极同时与PNP型BJT管Q5的集电极以及受控电流源组M1的端口a相连，PNP型BJT管Q2的基极同时与PNP型BJT管Q6的集电极以及受控电流源组M1的端口b相连，电阻Rb3的一端为受控电流源组M1的端口a，电阻Rb6的一端为受控电流源组M1的端口b，电阻Rb3的另一端与NPN型BJT管Qb1的集电极相连，NPN型BJT管Qb1的基极与电阻Rb2的一端相连，电阻Rb2的另一端同时与电阻Rb1的一端以及NPN型BJT管Qb2的集电极相连，电阻Rb1的另一端与交流电源vac的正端相连，电阻Rb6的另一端与NPN型BJT管Qb3的集电极相连，NPN型BJT管Qb3的基极与电阻Rb5的一端相连，电阻Rb5的另一端同时与电阻Rb4的一端以及NPN型BJT管Qb4的集电极相连，电阻Rb4的另一端与交流电源vac的负端相连，NPN型BJT管Qb2的基极同时与NPN型BJT管Qb4的基极、电容Cb1的一端、电阻Rb8的一端以及电阻Rb7的一端相连，电阻Rb7的另一端与输出电压Vo的正端相连，NPN型BJT管Qb1的发射极同时与NPN型BJT管Qb3的发射极、NPN型BJT管Qb2的发射极、NPN型BJT管Qb4的发射极、电容Cb1的另一端、电阻Rb8的另一端以及输出电压Vo的负端相连。
图7是本发明实施例2的仿真工作波形图，图8是本发明实施例2的仿真工作波形细节图，其稳态工作原理如下：
当vac>0时，交流电源vac处于正半周(即tb2<t<tb3)；当vac<0时，交流电源vac处于负半周(即tb1<t<tb2)。Q4在交流电源vac正半周导通、负半周截止，Q3在交流电源vac正半周截止、负半周导通。
(1)在交流电源vac负半周内，Q1截止，Q2自激工作
当Q2导通时(即tb11<t<tb12)，vac、Q2、L1、Q3构成一个回路，vac、Q2、Cs、D2、L2、Co、Z1、Q3构成另一个回路，L1充磁，输入电流iac反向增加，L1的电流iL1和Q2的集电极电流iQc2则正向增加，Cs放电，电容电压VCs减小，L2充磁，L2的电流iL2增加。随着iQc2的增加，在Q6和受控电流源组M1端口b的作用下Q2的工作状态逐渐从饱和区向放大区、截止区转移。当Q2截止时(即tb12<t<tb13)，L1、D1、Cs构成一个回路，D2、L2、Co、Z1、D1构成另一个回路，L1放磁，L1的电流iL1减小，Cs充电，电容电压VCs增加，L2放磁，L2的电流iL2减小。当D1的电流iD1减小至零，D1截止，Q2重新导通，周而复始。
VBE_Qb为Qb4和Qb2的基极-发射极导通压降。当
时，受控电流源组M1通过端口b减小Q2的基极电流，缩短Q2的导通时间，甚至延长Q2的关断时间，使得Vo回落。当
时，受控电流源组M1通过端口b最大化Q2的基极电流，最大化Q2的导通时间，使得Vo回升。
(2)在交流电源vac正半周内，Q2截止，Q1自激工作
同理，当Q1导通时，vac、Q1、L1、Q4构成一个回路，vac、Q1、Cs、D2、L2、Co、Z1、Q4构成另一个回路，L1充磁，输入电流iac、L1的电流iL1、Q1的集电极电流iQc1均增加，Cs放电，电容电压VCs减小，L2充磁，L2的电流iL2增加。随着iQc1的增加，在Q5和受控电流源组M1端口a的作用下Q1的工作状态逐渐从饱和区向放大区、截止区转移。当Q1截止时，L1、D1、Cs构成一个回路，D2、L2、Co、Z1、D1构成另一个回路，L1放磁，L1的电流iL1减小，Cs充电，电容电压VCs增加，L2放磁，L2的电流iL2减小。当D1的电流iD1减小至零，D1截止，Q1重新导通，周而复始。
VBE_Qb为Qb2和Qb4的基极-发射极导通压降。当
时，受控电流源组M1通过端口a减小Q1的基极电流，缩短Q1的导通时间，甚至延长Q1的关断时间，使得Vo回落。当
时，受控电流源组M1通过端口a最大化Q1的基极电流，最大化Q1的导通时间，使得Vo回升。
由上述可知，本发明实施例2的输出电压Vo在受控电流源组M1的调节下可实现稳定。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
