Giriş ve Stratejik Bağlam

Küresel elektrikli araç (EV) pazarının hızla büyümesi ve 2023 itibarıyla 40 milyonluk bir araç stoğuna ulaşması, verimli, kompakt ve güvenilir hızlı şarj altyapısının geliştirilmesini stratejik bir zorunluluk haline getirmiştir. Bu altyapının merkezinde, şebekeden alınan enerjiyi aracın bataryasına en uygun formda ileten güç elektroniği konvertörleri bulunmaktadır. Bu bileşenlerin verimliliği, boyutu ve güvenilirliği, şarj süresini, enerji maliyetini ve genel sistem performansını doğrudan etkilemektedir. Bu teknik raporun amacı, geleneksel Silisyum (Si) tabanlı sistemlere kıyasla üstün özellikler sunan Silisyum Karbür (SiC) MOSFET teknolojisine dayalı çeşitli konvertör topolojilerinin performansını, kapsamlı simülasyon verilerine dayanarak karşılaştırmaktır. Bu raporda incelenen performans artışlarını ve teknolojik atılımları mümkün kılan temel teknoloji, yeni nesil yarı iletken malzemesi olan Silisyum Karbür’dür (SiC).

Silisyum Karbür (SiC) MOSFET Teknolojisinin Temel Avantajları

Güç konvertörü tasarımında yarı iletken seçimi, sistemin nihai performansını ve fiziksel boyutlarını belirleyen en kritik stratejik kararlardan biridir. Silisyum Karbür (SiC), daha yüksek bant aralığı enerjisi, üstün termal iletkenlik ve daha yüksek kritik elektrik alan dayanımı gibi malzeme özellikleriyle geleneksel Silisyum (Si) IGBT cihazlarına göre temel bir teknolojik sıçrama sunmaktadır. Bu özellikler, SiC tabanlı cihazların daha yüksek frekanslarda, daha düşük kayıplarla ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışmasına olanak tanıyarak güç elektroniği sistemlerinde devrim yaratmaktadır.

SiC teknolojisinin en önemli teknik faydalarından biri, daha yüksek anahtarlama frekanslarında (fsw) çalışabilme yeteneğidir. Bu yetenek, pasif bileşenlerin boyutlarını doğrudan küçülterek sistemin güç yoğunluğunu ve maliyet etkinliğini artırır:

• İndüktörler (L): Anahtarlama frekansı artırıldığında, aynı akım dalgalanma sınırını sağlamak için gereken endüktans (L) değeri azalır. Bu durum, daha küçük, daha hafif ve daha ucuz indüktörlerin kullanılmasına olanak tanır.
• Kapasitörler (C): Daha yüksek anahtarlama frekansları, aynı gerilim kalitesini daha düşük kapasitans (C) değerleriyle elde etmeyi mümkün kılar, bu da daha küçük ve daha güvenilir kapasitörlerin kullanımını sağlar.
• Transformatörler (SST): Katı hal transformatörlerinde (SST), anahtarlama frekansının artırılması, aynı güç seviyesi için gereken çekirdek kesit alanını (Ae) azaltır. Bu, özellikle izolasyon gerektiren uygulamalarda transformatör boyutunda ve ağırlığında önemli bir azalmaya yol açar.

Pasif bileşenlerdeki bu küçülme, doğrudan daha yüksek güç yoğunluğuna, daha düşük sistem maliyetine ve daha kompakt tasarımlara dönüşerek EV şarj cihazı pazarında kritik bir rekabet avantajı sağlamaktadır. Bu teknolojik avantajların pratik uygulamalardaki etkisini analiz etmek, SiC teknolojisinin gerçek dünyadaki değerini ortaya koymaktadır.

Karşılaştırmalı Analiz: SiC MOSFET ve Si IGBT Tabanlı Konvertörler

Bu bölüm, SiC teknolojisinin geleneksel Si IGBT teknolojisine kıyasla sunduğu somut faydaları ölçmek amacıyla temel bir karşılaştırma sunmaktadır. Analiz, adil ve doğrudan bir karşılaştırma için ortak bir referans noktası olarak 22 kW gücünde bir Voltaj Kaynaklı Konvertör (VSC) topolojisini kullanmaktadır.

Tablo 1: SiC ve IGBT Tabanlı VSC Konvertörlerin Performans Karşılaştırması

Metrik	Config. 1_VSC-IGBT (10 kHz)	Config. 1_VSC-SiC (100 kHz)
Kayıplar (W)	254.39 W	152.16 W
Verimlilik (%)	98.84%	99.32%
Akım Harmonik Bozulması (THD_i %)	0.54%	0.12%
Dinamik Yanıt Hızı	Daha Yavaş	Daha Hızlı

Tablodaki verilerin analizi, SiC teknolojisinin sağladığı üstünlükleri net bir şekilde ortaya koymaktadır:

• Kayıplar ve Verimlilik: SiC tabanlı konvertör, IGBT tabanlı konfigürasyona göre %40 daha az kayıp (152.16 W vs. 254.39 W) sergilemektedir. Bu önemli kayıp azalması, verimliliğin %98.84’ten %99.32’ye yükselmesini sağlamıştır. Pratik anlamda bu, daha az enerjinin ısı olarak boşa harcanması, dolayısıyla daha basit ve daha küçük termal yönetim (soğutma) sistemlerine ihtiyaç duyulması anlamına gelir.
• Harmonik Bozulma (THD): SiC konvertör, %0.12’lik akım THD değeri ile IGBT’nin %0.54’lük değerine kıyasla şebekeye çok daha az harmonik enjekte etmektedir. Daha düşük THD, şebeke ile daha temiz bir güç arayüzü sunar, daha küçük LCL filtreleri kullanımına olanak tanır ve özellikle zayıf şebekelerde standartlara uyumu kolaylaştırır.
• Dinamik Yanıt: Simülasyon sonuçlarına (Şekil 12 ve 13) göre, SiC tabanlı konvertör belirgin şekilde daha hızlı bir dinamik yanıt göstermektedir. Bu özellik, güç talebindeki ani değişikliklere hızla uyum sağlama yeteneği gerektiren akıllı şebeke (smart grid) uygulamaları ve voltaj regülasyonu ile Araçtan Şebekeye (V2G) gibi yardımcı hizmetler için kritik bir avantajdır.

Bu karşılaştırma, SiC teknolojisinin bariz üstünlüğünü kanıtlamakta ve bir sonraki adımda farklı SiC tabanlı konvertör topolojilerinin birbirlerine karşı nasıl bir performans sergilediğini incelemek için sağlam bir zemin oluşturmaktadır.

SiC Tabanlı AC/DC Konvertör Topolojilerinin Performans Değerlendirmesi

SiC teknolojisinin temel avantajları belirlendikten sonra, bir sonraki mantıksal adım, verimlilik veya şebeke uyumluluğu gibi belirli performans hedefleri için en uygun mimariyi belirlemek üzere farklı AC/DC konvertör topolojilerini değerlendirmektir. Bu bölümde, EV hızlı şarj sistemlerinin şebeke arayüzü katmanı için yaygın olarak kullanılan üç topoloji karşılaştırılacaktır: Voltaj Kaynaklı Konvertör (VSC), Nötr Nokta Kenetlemeli (NPC) ve T-Tipi NPC.

Tablo 2: SiC Tabanlı AC/DC Topolojilerinin Farklı Anahtarlama Frekanslarındaki Performansı

Topoloji	Anahtarlama Frekansı (kHz)	Kayıplar (W)	Verimlilik (%)	Akım THD (%)
VSC (2-Seviyeli)	50	118.09	99.46	0.14
	100	152.16	99.32	0.12
	250	220.44	99.01	0.12
NPC (3-Seviyeli)	50	108.08	99.52	0.27
	100	114.57	99.49	0.15
	250	131.74	99.39	0.14
T-Tipi NPC	50	24.70	99.89	0.11
	100	49.49	99.78	0.06
	250	124.01	99.44	0.02

Kayıplar ve Verimlilik Simülasyon sonuçlarına göre, T-Tipi NPC topolojisi, incelenen tüm frekans aralıklarında tutarlı bir şekilde en düşük kayıpları ve en yüksek verimliliği sunmaktadır. Örneğin, 50 kHz’de %99.89 gibi olağanüstü bir verimlilik değerine ulaşmıştır. Bu üstün performans, T-Tipi mimarinin kenetleme diyot yollarını aktif anahtarlarla değiştirmesi sayesinde daha düşük iletim ve ters-toparlanma kayıplarına sahip olmasından kaynaklanmaktadır. VSC topolojisi ise diğerlerine kıyasla biraz daha yüksek kayıplara sahiptir.

Harmonikler ve Şebeke Etkisi Şebeke uyumluluğu açısından, T-Tipi NPC topolojisi, özellikle yüksek frekanslarda en düşük akım THD değerlerini elde etmektedir (250 kHz’de %0.02). Bu, daha temiz bir çıkış akımı anlamına gelir ve daha küçük LCL filtreleri ile zayıf şebekelerde bile standartlara uyumu kolaylaştırır. VSC topolojisi, anahtarlama frekansını artırarak T-Tipi NPC’nin THD performansına yaklaşabilmektedir.

Dinamik Yanıt ve Maliyet İncelenen üç konfigürasyon da modern kontrolcülerle milisaniye ölçeğinde hızlı dinamik yanıt sunabilmekte ve çift yönlü çalışmaya olanak tanımaktadır. Ancak maliyet ve basitlik açısından VSC topolojisi, en az bileşen sayısına sahip olması (lowest parts count) nedeniyle en basit ve en uygun maliyetli seçenektir.

AC/DC konvertör seçimindeki bu ödünleşimler, hızlı şarj cihazının bir sonraki aşaması olan DC/DC dönüşüm katmanının analizine zemin hazırlamaktadır.

SiC Tabanlı DC/DC Konvertör Topolojilerinin Performans Değerlendirmesi

EV şarj cihazının DC/DC katmanı, yüksek voltajlı DC barasını aracın batarya voltaj seviyesine uyarlamak ve şarj akımını hassas bir şekilde kontrol etmekle görevlidir. Bu bölümde, bu kritik işlev için iki farklı SiC tabanlı topoloji incelenmektedir: Çift Aktif Köprü (DAB) ve Aralıklı DC/DC Konvertör (IDC). Bu analiz, verimlilik, dalgalanma ve farklı uygulama senaryolarına uygunluk açısından bu iki mimariyi karşılaştırmaktadır.

Tablo 3: SiC Tabanlı DC/DC Topolojilerinin Verimlilik ve Kayıp Karşılaştırması

Topoloji	Anahtarlama Frekansı (kHz)	Kayıplar (W)	Verimlilik (%)
Config. 4_DAB	100	407.41	98.43
	250	416.79	98.30
Config. 5_IDC	100	20.59	99.90
	250	74.52	99.66

Tablo 4: DAB ve IDC Topolojilerinin Metriksel Karşılaştırması

Metrik	Değerlendirme (DAB vs. IDC)
İzolasyon ve Yön	DAB: Yüksek frekanslı transformatör aracılığıyla galvanik izolasyon sağlar ve doğal olarak çift yönlüdür. IDC: Genellikle izolasyonsuzdur; uygun bacaklarla çift yönlü çalışabilir.
Tipik Zirve Verimlilik	DAB: %98–99 aralığındadır ve yüke sowie voltaj oranına bağlıdır. IDC: Faz sayısına bağlı olarak +%99 seviyesine ulaşabilir.
Kayıp Profili	DAB: Her iki köprüde iletim kayıpları ile transformatör kayıpları baskındır. IDC: İletim kayıpları fazlara bölünür ve anahtarlama kayıpları azalır.
Giriş/Çıkış Dalgalanması	DAB: DC tarafı dalgalanması L/C filtrelerine ve kontrole bağlıdır. IDC: Akım dalgalanması, faz sayısıyla ters orantılı olarak doğal bir şekilde azalır.
Dinamik Yanıt	DAB: İyi bir performansa sahiptir ancak IDC’ye göre daha düşük bant genişliğine sahiptir. IDC: Çok hızlıdır (faz başına doğrudan akım kontrolü) ve yüksek kontrol bant genişliği sunar.
En Uygun Uygulama Alanı	DAB: İzolasyon ve çift yönlülük gerektiren uygulamalar (V2G/V2B) için idealdir. IDC: İzolasyon gerektirmeyen, maliyet ve güç yoğunluğu odaklı uygulamalar için uygundur.

Bu iki tablonun analizi, topolojiler arasındaki temel farkları ve ödünleşimleri ortaya koymaktadır:

• IDC topolojisi, %99.90 gibi son derece yüksek bir verimlilik ve 100 kHz’de sadece 20.59 W’lık kayıplarla DAB‘a (%98.43) göre belirgin bir şekilde daha üstün bir performans sergilemektedir.
• Buna karşın, en kritik ödünleşim izolasyon ve çift yönlülüktür. DAB topolojisi, entegre yüksek frekanslı transformatörü sayesinde temel bir güvenlik gereksinimi olan galvanik izolasyonu sağlar ve doğal çift yönlü yapısı sayesinde Araçtan Şebekeye (V2G) uygulamaları için idealdir.
• IDC ise izolasyonun zorunlu olmadığı ve maliyet ile güç yoğunluğunun öncelikli olduğu durumlarda çok daha verimli bir seçenektir. Ayrıca, doğrudan görev/akım kontrolü (direct duty/current control per phase) sayesinde çok hızlıdır, yüksek kontrol bant genişliğine sahiptir ve batarya voltajındaki ani değişimlere mükemmel uyum sağlar.

Bu konvertör topolojilerinin teknik karşılaştırması, onların sadece bir şarj cihazı bileşeni olmaktan çıkıp enerji ekosistemi ve akıllı şebeke içindeki daha geniş rollerine bir köprü kurmaktadır.

Akıllı Şebekeler ve Genel Değerlendirme

Elektrikli araçların enerji sistemine büyük ölçekte entegrasyonu, mevcut elektrik şebekesi için hem zorluklar (talep artışı, aşırı yüklenme riski) hem de fırsatlar (şebeke destek hizmetleri) sunmaktadır. Konvertör teknolojisi ve topoloji seçimi, bu etkileşimin niteliğini belirleyen temel faktördür.

Konvertörlerin şebeke ile etkileşimi, bulundukları aşamaya göre farklılık gösterir:

• AC/DC Konvertörler: Doğrudan şebekeye bağlı olan bu katman, şebekeden çekilen akımın kalitesini (harmonikler) ve güç faktörünü belirler. Bu nedenle şebeke üzerindeki doğrudan etkileri (harmonik kirliliği, tıkanıklık) daha fazladır.
• DC/DC Konvertörler: Batarya ile DC bara arasında çalışan bu katman, şebeke ile dolaylı bir etkileşime sahiptir. Daha hızlı dinamikleri, batarya yönetimini optimize etmek ve DC mikro şebekelere entegrasyon için daha uygundur.

Bu raporda analiz edilen yüksek performanslı, çift yönlü konvertörler, akıllı şarj ve Araçtan Şebekeye (V2G) konseptlerinin temelini oluşturur. Bu teknolojiler sayesinde elektrikli araçlar, pasif birer yük olmaktan çıkarak şebekeye aktif olarak destek sağlayan varlıklara dönüşebilir. Frekans regülasyonu, talep yönetimi ve aşırı yüklenmenin önlenmesi gibi yardımcı hizmetler sunarak, özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarının şebekeye entegrasyonunu kolaylaştırabilir ve şebeke kararlılığını artırabilirler.

Sonuç olarak, konvertör teknolojisi seçimi sadece şarj cihazının kendisi için değil, aynı zamanda geleceğin enerji şebekesinin istikrarı, verimliliği ve esnekliği için de derin etkilere sahiptir.

Sonuç ve Nihai Değerlendirme

Bu rapor, elektrikli araç hızlı şarj sistemlerinde kullanılan konvertör teknolojilerini ve topolojilerini kapsamlı bir şekilde analiz etmiştir. Elde edilen temel bulgular, SiC tabanlı konvertörlerin, EV hızlı şarj uygulamaları için geleneksel IGBT tabanlı sistemlere göre daha yüksek verimlilik, daha düşük kayıplar ve üstün dinamik yanıt gibi önemli avantajlar sunduğunu doğrulamaktadır.

Topoloji karşılaştırmalarından elde edilen temel çıkarımlar aşağıdaki gibidir:

• AC/DC Karşılaştırması: T-Tipi NPC topolojisi en yüksek verimlilik ve en düşük harmonik bozulmayı sunarak teknik üstünlük sağlarken, VSC topolojisi daha az bileşenle maliyet etkinliği ve tasarım basitliği ile öne çıkmaktadır.
• DC/DC Karşılaştırması: IDC topolojisi, verimlilik açısından açık ara en iyi seçenektir. Ancak, DAB topolojisi, Araçtan Şebekeye (V2G) gibi uygulamalarda zorunlu olan galvanik izolasyon ve doğal çift yönlülük özelliği ile vazgeçilmez bir rol oynamaktadır.

Bu raporda sunulan bulguların tamamının simülasyon sonuçlarına dayandığı ve bir sonraki kritik adımın bu sonuçların deneysel olarak doğrulanması olduğu unutulmamalıdır. Bu gelişmiş konvertör sistemlerinin sürekli olarak iyileştirilmesi, daha verimli, güvenilir ve akıllı bir elektrikli araç şarj ekosistemi yaratmanın temelini oluşturmaktadır.