固态特斯拉线圈

演示无线输电以及高频高压交流电特性的装置

特斯拉线圈，是塞尔维亚裔美籍科学家尼古拉·特斯拉于1891年发明，用来演示无线输电以及高频高压交流电特性的装置。特斯拉生活的年代没有半导体晶体管，所以他发明的线圈是通过机械运动开闭火花间隙以提供脉动电流的SGTC（火花间隙特斯拉线圈，Spark Gap Tesla Coil）。电子管发明以后，用电子三极管作为电流开关的特斯拉线圈叫做真空管特斯拉线圈（VTTC）。现代的爱好者们根据特斯拉线圈的原理（LC振荡），将火花隙或者真空管改为半导体，产生了固态特斯拉线圈（Solid State Tesla Coil，简称SSTC）。

简介

固态特斯拉线圈可以分为单谐振和双谐振两种，单谐振的特斯拉线圈，一次回路不发生谐振，就是大家熟悉的SSTC。还有一种叫做DRSSTC（双谐振固态特斯拉线圈，Double Resonance Solid State Tesla Coil）。它由一个双调谐耦合回路构成，它的一次回路由谐振电容和一次绕组构成了串联谐振回路，因为串联谐振是电压谐振，可以获得高压大电流和巨大的激磁功率，二次回路可以感应到更高的等效激励电压，谐振升压后输出更高的电压，产生更加壮观的电弧。

早期的特斯拉线圈

物理构成

火花隙特斯拉线圈由充电电源，一次LC回路，二次LC回路，火花间隙组成。

工作过程

充电电源是个输出为10KV以上的高压电源，这个电源可以是工频变压器，可以是高压发电机，可以是电子变压器，但是输出电压最好不要低，否则火花间隙无法启动，导致整个系统不能运转。充电电源给初级LC回路振荡电容充电，充到放电阈值的，火花间隙放电导通，初级LC回路发生电磁振荡，给二次回路提供足够高的励磁功率，并且和次级LC回路的频率相等，让二次绕组的电感与分布电容发生串联谐振，这时放电终端（次级谐振回路的电容）电压最高，于是就看到电弧了。

我们需要为SGTC正名，SGTC的可靠性反而是最好的，结构简单，维护简单，认真设计一个可以长时间运转的SGTC是有必要的，当然那些舍不得投入成本的人，做出来的SGTC自然会让人感到寿命短。大功率的特斯拉线圈，无论什么类型，放电的声音已经很大了，并不会因为SGTC的打火器导致噪音大。但是SGTC的缺点是没法进行很好的功率调制，导致了可控性不好。表现为不能放音乐。国内玩SGTC的人少，并不是因为SGTC落后，而是因为造一个像模像样的SGTC，相对于造一个同等规模的DRSSTC，材料成本很高，而且材料不好买。

现代的晶体管特斯拉线圈

概况

由于固态特斯拉线圈具有成本低，材料好买，可控性强的特点，广受大家的喜爱。

分类

电子管特斯拉线圈：

VTTC：真空管特斯拉线圈，Vacuum Tube Tesla Coil，简称VTTC

使用电子管作为功率元件的特斯拉线圈，一次绕组工作电压高，几百到几千伏，并且使用了并联谐振。

固态特斯拉线圈可分为以下几类：

SSTC（Solid State Tesla Coil）=固态特斯拉线圈

说通俗些是个单谐振的电子开关特斯拉线圈，初级不发生谐振，只给次级提供可以满足次级LC发生串联谐振的频率，让次级线圈发生串联谐振，初级电流为激励源电压除以交流阻抗。

优点：具有高效率、寿命长的特点，因而得到了很好的发展。

缺点：初级线圈给次级线圈提供的励磁功率有限，电弧不长。

DRSSTC(Dual Resonant SSTC) 固态双谐振特斯拉线圈（晶体管双谐振特斯拉线圈 or半导体双谐振特斯拉线圈）

（双谐振电子特斯拉线圈，初级线圈和次级线圈都发生串联谐振）

DRSSTC，说白了是个串联谐振逆变器，这种逆变技术历史挺早的，串联谐振逆变器是20世纪60到70年代最流行的一种逆变器，只是20世纪末有人把这种技术用在特斯拉线圈上。串联逆变器具有启动迅速的特点，适用于频繁启停的场合，控制方式可以是他激或者自激，为了更好的适应电子特斯拉线圈的工作环境，这里选择了自激的控制方式。

QCWDRSSTC(Quasi Continuous Wave DRSSTC)准连续波双谐振固态特斯拉线圈

带有功率调制的长脉宽工作的电子特斯拉线圈，调制方式可以为直流调功，脉冲密度功率调制（PDM），移相功率调制（PS-PWM）。功率调制可以为电弧加上一个障眼法，让电弧变为剑形，功率调制的线性度越好，效果就越好。

CWDRSSTC(Continuous Wave DRSSTC)连续波双谐振固态特斯拉线圈

这种特斯拉线圈的逆变器设计可以去看串联谐振的感应加热电源。

控制方案

固态特斯拉线圈的控制方案总的分为两种，定频和频率自动跟踪的方式。

定频驱动是先知道特斯拉线圈的谐振频率后，人工将变频电源的输出频率调整到和谐振频率一致。

频率自动跟踪方案，变频电源可以自动跟随谐振频率，使输出的频率和相位与LC回路一致，采用锁相环或者自激方式。

功率逆变拓扑

单管

如同上面第一张SSTC电路图，它是用单个场效应管来进行功率放大的，功率有限且输出为脉冲直流电。

半桥

半桥是由两个功率放大管和两个电容构成的功率放大电路，效果比单管好很多。

“对与大多数玩了SGTC的人来说都想玩更高级的SSTC/DRSSTC，但是许多人在这是就会遇到困难，在这里我给那些新人们讲讲功率电路

红色表示高压蓝色低压黄色为中间压同名端已标出

通电时，由于开关管关闭没有其他地方能让电流通过，因此电流就只有给两个桥臂电容充电。

然后当开关管打开时，电容通过开关管放电，在电流的流动中经过了初级线圈。当另一个开关管打开时电流的方向与之前是相反的，由此产生了震荡。

这种有两个开关管的我们叫它半桥，它的特点是只要两个开关管省钱，由于在充电时有两个电容串联，因此放电的电压只有输入电压的一半。 ”

全桥

如果用两个功率管代替两个电容，就成了全桥。它的功率又高于半桥。

其中的“Output”接初级线圈。

全桥为4个功率管成对角线打开，电压为满电压，所以效果比半桥好。

DRSSTC

基本原理

DRSSTC它是由一个双调谐耦合回路构成，它的一次LC回路有谐振电容，和一次绕组的构成了串联谐振回路，因为串联谐振是电压谐振，可以获得高压大电流，可以获得巨大的激磁功率，二次LC回路可以感应到跟高的等效激励电压，二次回路才会输出更大的电压，产生更加壮观的电弧

推拉秋千的人

大家都玩过秋千吧，当她坐在秋千上的时候，男孩去摇动秋千，假设男孩的出力是恒定的，会随着摆动的周期个数的增加，秋千摆幅越来越高。

那么说说推拉秋千的过程，在秋千静止的时候，第一个起振的动作（打火信号到来），或者推出或者拉回（逆变全桥打开一个对角），这时候秋千开始摆动，到一定幅度，又会自己开始往回摆动（LC回路开始自由震荡），这时候会随着秋千开始往回摆动的同时往回拉动秋千，此动作需要略超前与秋千的摆动频率，但是不可过多，当秋千向后摆动到一定幅度时，又会开始往前摆动，这时候就要给一个推动秋千的力，也是略超前于秋千的摆动角度（相位补偿与频率跟踪），周而复始，秋千的摆幅也随着时间的推移变大（谐振电压随着时间的推移上升），直到摆动幅度的峰值，摆幅不再继续变大（逆变器进入稳态）

DRSSTC就是这样。当电流流过初级线圈时，就会给电容充电。这时，电容的两个极板有了一定的电势差。然后由于LC振荡，它立即放出了电流，并很快将电流的方向反转。就在它反转的一瞬间，初级线圈的电流沿着和反转后的电流方向一致的方向流了过来。

如同那个秋千。那个秋千里的人受到一次次恰到好处的力，一次次地摆回来，和推拉秋千的频率达成了共振。

在，初级线圈里的电流和电容的电流也达成了共振（不过在电路里，这个状态通常称为谐振），电压越来越高，电流越来越大，直到逆变器进入稳态。

但是秋千的摆幅一直那么大，她告诉男孩，摆动这么高回很害怕，万一甩出去咋办。这时候，男孩停止推拉秋千，秋千开始自由摆动，直到停止。

同样的，在DRSSTC里，如果谐振电流会随着时间的推移变大，有可能导致功元件的过载，这时候就需要过载保护机制，当电流上升到一定阈值，触发保护机制，变频电源就停止输出，LC回路开始自由振荡，直到停止。

来自感应加热电源的功率调制技术

脉冲密度功率调制：

这时候她对男孩说，是不是可以让秋千的摆幅稳定在一个高度，不要太高也不要太低。男孩答应了这个条件，说一定可以做到，于是又开始体验秋千的乐趣了，这次起初和上次一样，秋千开始摆动（启动串联谐振逆变器），随着时间的推移秋千摆动幅度逐渐变大（谐振电流逐渐上升），到了之前说好的那个高度的时候，男孩停止了秋千的推拉操作，秋千开始自由摆动，摆幅逐渐下降，当摆幅变低后，那男孩又继续推拉秋千，摆幅又开始上升，周而复始，于是秋千大概恒定在那个摆幅（脉冲密度功率调制，PDM）。

在DRSSTC应用中，采用了感应加热电源的PDM功率调制技术，使谐振电流约束在预先设定的大小运行。当谐振电流到了预先设定的阈值，变频电源停止输出，将LC回路挂起，让它自由振荡，谐振电流开始下降，当谐振电流低于设定大小时，变频电源重新将还在振荡的LC回路载入，继续激励，谐振电流继续上升，周而复始，实现恒功运行。

实际的串联谐振逆变器的控制讲究信号的同步，变频电源只在谐振电流过零的时候执行卸载与装载的动作。

其它类型的固态特斯拉线圈

事实上，除了SGTC和VTTC，其它类型的特斯拉线圈都是固态的。

除了SGTC、SSTC、DRSSTC，还有PLLSSTC（锁相环固态特斯拉线圈）和OLTC。

真空管特斯拉线圈

真空管特斯拉线圈，Vacuum Tube Tesla Coil，简称VTTC。

当电子管逐渐退出我们的视野时，一群电子管发烧友用它们做出了VTTC。电子管本身有高频性能好等等优点，所以做出的VTTC效果十分独特。但是，不可否认，电子管本身有造价高、寿命低、效率低、发热严重以及极易损坏等缺点，VTTC未能大范围流行。

基本原理，类似于晶体管的自激。

VTTC的效果很奇特，电弧很直，像利剑一样。有时候，电弧四处散开，如同礼花弹一般。

离线式特斯拉线圈

离线式特斯拉线圈，Off Line Tesla Coil，简称OLTC。

当我们把SGTC的打火器去掉，换成一个MOSFET或者IGBT来代替，并在用一个二极管反向并联在D极和S极（如果是IGBT，就是C极和E极）上，并用一个固态的电路来控制这个开关管，再加以低压驱动，就成了OLTC。