固态特斯拉线圈

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）。它是由一个双调谐耦合回路构成，它的一次回路有谐振电容，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，二次回路可以感应到跟高的等效激励电压，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

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。

火花隙特斯拉线圈的工作过程：

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正身，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

固态特斯拉线圈可分为以下几类：

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。

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）[1]

（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。

它的本质原理依然是LC振荡，且和SGTC几乎相同，不同的地方，就是把打火器换成了固态开关，并使用了低压驱动。其它地方没有太多区别。

由于是低压驱动，无法形成太大的电流，所以OLTC的电弧是不如SGTC壮观的。

总结

固态特斯拉线圈与传统的火花间隙特斯拉线圈的有互不可取代的优势，火花间隙特斯拉线圈具有结构简单可靠性高的优势，固态特斯拉线圈具有灵活的功率调制的优势，比如播放音乐，制造剑形电弧等。不过，由于固态特斯拉线圈需要功率管进行放大信号，所以功率管的功率直接影响到线圈的功率，而功率管的功率是和价格成正比的。

SSTC也有缺点，比如，同输出功率下，SSTC的电弧成簇状，且明显不如SGTC壮观。这时，可以加上一个灭弧器来模仿SGTC的工作，电弧可以长一些。而DRSSTC由于有了谐振电容，兼具了SSTC噪音小、寿命长和SGTC电弧壮观的优点，受到大量爱好者的推崇。

SSTC容易将人的皮肤烧伤。尽管有高频电的趋肤效应，但是高压电击穿空气产生的高温不可忽视。DRSSTC的电弧也是很危险的，功率极小者可能会造成局部刺痛，功率稍大就会导致烧伤。大功率特斯拉线圈可以引起生命危险，尤其是其开关器件之前存在高压直流或工频交流，更为危险。

无论如何，无论是何种的特斯拉线圈，大家都要特别注意安全。毕竟是高压电。[2]

参考资料

[1]DRSSTC基本原理.科创研究院. [2018-03-14].

[2]高电压类特种科技爱好活动安全警示.科创研究院. [2013-01-30].

该页面最新编辑时间为 2023年8月9日