Elettronica di potenza per un futuro sostenibile

L’elettronica di potenza è decisiva per un domani più sostenibile. Ecco perché STMicroelectronics e l’Università di Catania collaborano, attraverso un accordo quadro di medio-lungo periodo, per formare i prossimi specialisti del settore, così come per sostenere la ricerca per l'innovazione tecnologica, in linea con gli obiettivi ambientali e sociali definiti dall’Agenda 2030

È passato poco più di un anno da quando STMicroelectronics e l’Università di Catania hanno firmato un solido accordo quadro che ha messo al centro sia le attività di formazione che di ricerca nell'elettronica di potenza. La collaborazione – siglata esattamente nel novembre 2021 – mira a favorire la formazione accademica e professionale degli studenti e a sostenere la ricerca per l'innovazione tecnologica. È giunto il momento di fare il punto sull’attività svolta nel 2022 e sui progetti in cantiere per il 2023.

Qual è il punto di partenza? Sicuramente la consapevolezza che l’elettronica di potenza è fondamentale per un futuro sostenibile dal punto di vista dell’energia, dal momento che gestisce il flusso di energia elettrica all'interno di tutti i sistemi e le applicazioni fornendo tensioni e correnti adatte ad alimentare i dispositivi elettronici in uso in tutti i prodotti finali. Raccogliendo la sfida a migliorare l'efficienza, ridurre le perdite e ottimizzare i costi, STMicroelectronics e l'Università di Catania (UNICT) hanno deciso di collaborare specificamente allo sviluppo e all'organizzazione di corsi multidisciplinari, nonché al coordinamento di progetti di ricerca, tesi di laurea e stage post-laurea con al centro l’elettronica di potenza del futuro.

La parola a STMicroelectronics

«L’accordo quadro è il naturale consolidamento di una lunga collaborazione fra ST e UNICT di almeno trent’anni», afferma Gianfranco Di Marco, Marketing Manager Power Transistor Sub-Group, STMicroelectronics. «Recentemente si è deciso di rafforzare questa storica collaborazione per rispondere alle maggiori necessità di innovazione richieste nel campo della elettronica di potenza, fondamentali per indirizzare le nuove esigenze applicative dei mercati emergenti come l’elettrificazione nell’industria e nell’automobile».

L’accordo quadro rappresenta inoltre un passo avanti importante per promuovere gli studi nelle discipline STEM. L’obiettivo di ST e UNICT è di incoraggiare i giovani talenti nel percorso di ricerca e sviluppo di nuove applicazioni e dispositivi di elettronica di potenza che aiuteranno ad affrontare le sfide di un futuro più sostenibile dal punto di vista dell’energia. «Oltre alla ricerca, l’accordo mira anche ad individuare e formare giovani talenti completando le competenze acquisite nel corso di laurea con quelle in ambito industriale attraverso attività comuni come seminari, tirocini, corso post-laurea di elettronica di potenza. In effetti la crescita del settore, ha innescato la necessità di figure professionali altamente specializzate da inserire nel mercato del lavoro con numeri sempre maggiori. Sicuramente questo accordo quadro ha rafforzato la collaborazione fra ST ed Università di Catania, ma è ancora troppo presto per fare un bilancio, essendo le attività di ricerca di medio e lungo termine».

Innalzare l’efficienza energetica

A proposito di progetti di ricerca sull’elettronica di potenza, in virtù dell’accordo quadro Di Marco ricorda che ne sono stati già avviati diversi nel 2022. «Diverse attività di ricerca, come ad esempio la caratterizzazione avanzata di materiali, vedono la collaborazione dei dipartimenti di Fisica e Scienze Chimiche ed attività di simulazione di prodotti in diversi contesti applicazioni con i dipartimenti di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell’Università di Catania».

Di fatto la collaborazione tra STMicroelectronics e l’Università di Catania si è strutturata in modo molto preciso per raggiungere i risultati di ricerca attesi. «È stato definito un comitato scientifico composto da sei membri, tre della ST e tre dell’Università di Catania, che lavorano in sinergia per individuare gli argomenti di interesse strategico o scientifico da sviluppare all’interno delle attività comuni che vengono realizzate attraverso l’impegno di ricercatori universitari e tecnici della ST, operando presso le strutture di entrambe le organizzazioni».

Su queste basi, per il 2023 sono già pianificati con chiarezza i target per i progetti di ricerca avviati sull'elettronica di potenza. «Nel corso del 2023 si prevede di continuare e finalizzare le attività iniziate nel 2022 in termini di caratterizzazione dei materiali avanzati (Carburo di Silicio, Nitruro di Gallio, materiali dielettrici e schemi di metallizzazione) e delle simulazioni necessarie per procedere con lo sviluppo di brevetti e nuovi moduli di potenza avanzati».

Concretamente, già si immaginano quali potranno essere le nuove applicazioni e dispositivi di elettronica di potenza che aiuteranno ad affrontare le sfide di un futuro più sostenibile dal punto di vista dell’energia. «L’obiettivo principale è individuare e sviluppare nuovi moduli di potenza avanzati ad alta efficienza energetica per indirizzare le esigenze dei veicoli elettrici, quali maggiore autonomia delle batterie e tempi di ricarica più rapidi, ed introdurre i nuovi materiali (inizialmente in Carburo di Silicio) nelle applicazioni industriali che richiedono una maggiore efficienza come i pannelli fotovoltaici ed i grandi server».

Un master dedicato

Come detto la collaborazione tra STMicroelectronics e l’Università di Catania siglata con l’accordo quadro del novembre 2021 sta al contempo supportando la formazione accademica e professionale degli studenti, di fatto con una iniziativa specifica, ovvero: «Attraverso l’istituzione del Master di secondo livello per l’elettronica di potenza che prevede, oltre alle normali lezioni in aula alla UNICT, attività di tutoraggio da parte di esperti di ST e di formazione all’interno dell’azienda dei partecipanti», prosegue Di Marco. «Sono previsti diverse sessioni di workshop tecnici congiunti coi professori per informare ed orientare gli studenti verso l’elettronica di potenza durante i due livelli del corso di laurea triennale e magistrale».

Più precisamente, l’obiettivo del Master di secondo livello in “Power Electronics Devices and Technologies”, organizzato dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Elettronica ed Informatica (DIEEI) dell’Università di Catania assieme a STMicroelectronics, è quello di formare specialisti delle tecnologie basate sui semiconduttori a Wide BandGap (larga banda interdetta), la nuova frontiera dell’elettronica di potenza che garantisce prestazioni più efficienti e in linea con gli obiettivi dello sviluppo sostenibile definiti dall’Agenda 2030.

D’altra parte, STMicroelectronics immagina con precisione quali saranno le caratteristiche e le competenze dei professionisti di domani dell'elettronica di potenza. «L'industria sta investendo per abbattere i consumi energetici ma esiste ancora spazio per aumentare l'efficienza energetica, consentendo di utilizzare meno energia per svolgere gli stessi compiti. L’energia e l’efficienza energetica sono quello che negli anni Novanta era l’informatica. L’elettronica di potenza offre molte opportunità di crescita professionale in questo campo, perché l’efficienza energetica diventa sempre più cruciale e richiesta in tutti i settori industriali».

Ecco perché l’elettronica di potenza è destinata a ritagliarsi un posto di assoluto rilievo sul mercato di domani. «L’elettronica di potenza», aggiunge Di Marco, «è un settore fortemente multidisciplinare che richiede la disponibilità di figure con competenze in molti ambiti, come progettazione elettronica, scienza dei materiali, chimica e fisica. La collaborazione con attività congiunte mira ad informare gli studenti circa le nuove opportunità e colmare il divario di competenze fra un neolaureato e le necessità dell’industria dei semiconduttori per renderne efficace e più rapido l’inserimento nel mondo del lavoro».

Il punto di vista di UNICT

«L'accordo quadro per il “Joint Research Center on Power Electronics” è nato dal maturare di esigenze specifiche di STMicroelectronics, in questo particolare momento storico, ed è stato alimentato e facilitato dai pluridecennali rapporti esistenti con il nostro Ateneo», interviene Salvatore Baglio, Professore ordinario di Misure elettriche e elettroniche nel dipartimento di Ingegneria elettrica, elettronica e informatica e delegato alla Ricerca dell’Università di Catania. «L'idea è stata quella di costituire un “Hub” di comunicazione ed interazione coordinata tra STMicroelectronics e Università di Catania, in modo da realizzare attività coordinate e di maggiore impatto. È un accordo che guarda a strategie di medio-lungo periodo e non ad una ulteriore collaborazione “spot”».

Di conseguenza, lato accademico, le aspettative sono sicuramente alte. «Il Joint Research Center – nel quale sono ampiamente coinvolti i colleghi Giovanni Muscato, Maria Grazia Grimaldi, Antonino Licciardello e Mario Cacciato (per quanto riguarda il Master) è un modello di collaborazione strategica strutturata che consente di ottimizzare gli sforzi e massimizzare i risultati. Il bilancio, a oggi, è senz’altro positivo nelle intenzioni, perché ha fatto incontrare gruppi diversi della comunità scientifica universitaria e di quella ST, in maniera più ampia rispetto alle collaborazioni già in essere. Come era nelle sue intenzioni l'accordo quadro ha stimolato una serie di riunioni tra docenti di UNICT e ricercatori di ST impegnati in vari fronti. Questi incontri hanno portato in alcuni casi alla definizione di alcune linee di attività di ricerca in comune che sono tuttora in fase di sviluppo. In tutti i casi, comunque, l'interazione stretta e focalizzata su problemi concreti di interesse industriale ha comunque stimolato grande interesse scientifico da parte dei docenti coinvolti».

Certamente le sfide non sono mancate, tuttavia sono state affrontate insieme e superate attraverso l’attento dialogo e confronto tra UNICT e ST. «L’accordo non è stato semplice da gestire, rappresentando un nuovo e diverso paradigma di collaborazione. Dovendo coinvolgere molteplici interessi e soggetti ed essendo la prima esperienza di questo tipo, ha richiesto un lungo periodo di “rodaggio” per poter andare a regime. Oggi, sulla base dei numerosi contratti avviati e sul master in pieno svolgimento, possiamo certamente ritenerci soddisfatti dell’andamento».

Cosa accadrà nel 2023?

Nel corso del 2023 i progetti di ricerca avviati sull'elettronica di potenza saranno sviluppati secondo un iter ben definito. «Il nuovo anno vedrà in primis il resoconto dei contratti avviati, a questa fase seguirà l'identificazione delle nuove priorità da parte di STM, la call for proposal interna all'ateneo e l'avvio di nuovi contratti», prosegue Baglio. «Il JRC ha un focus specifico su elettronica di potenza e tecnologie SiC e GaN. Su questo tema l'ecosistema catanese rappresenta un unicum a livello mondiale, così come le competenze di ricerca sia a livello industriale sia a livello accademico. Riteniamo che i dispositivi elettronici di potenza avranno un ruolo sempre più fondamentale nella diffusione pervasiva di una mobilità sostenibile (elettrica o ibrida) e, anche in ambito industriale, nell’ottimizzazione energetica attraverso la riduzione e ottimizzazione delle “perdite” e dei consumi energetici. In generale la minore dissipazione termica nella regolazione dell’energia avrà vantaggi enormi nelle molteplici applicazioni in cui ciò si rende necessario».

Secondo Baglio gli scenari applicativi potranno essere molteplici e i più diversi. «Oltre alla trazione elettrica che sfrutta front-end converter, inverter, caribatterie on-board e off-board, le applicazioni future sono la fusione nucleare e l’accumulo stazionario. Guardando ad applicazioni classiche, quali la trazione ferroviaria e la propulsione navale, occorre sviluppare le nuove classi di dispositivi SiC a tensione superiore, di solito 2,5 e 3,3 kV, esattamente come è stata la storia degli IGBT. Uno degli aspetti critici riguarda i componenti magnetici passivi. Queste ed altre applicazioni fanno parte di un futuro nel quale la propulsione elettrica, per poter raggiungere l’affidabilità dei sistemi meccanici, necessiterà di un aumento dell’affidabilità dei dispositivi elettronici di alcuni ordini di grandezza rispetto all'attuale. Immaginate che tra 10 anni gli aerei saranno a propulsione elettrica con l’energia proveniente da una o più fuelcell alimentate dall’idrogeno», conclude Baglio.

I progetti di ricerca avviati

L'attività di ricerca si è sviluppata su tematiche di elettronica di potenza di interesse di STMicroelectronics che coinvolgono cinque dipartimenti di Ingegneria, Matematica-Informatica, Fisica e Chimica (Dieei, Dfa, Dmi, Dsc, Dicar). Di seguito alcune delle tematiche in fase di sviluppo:

• "Simulazioni, Modellizzazioni e Caratterizzazioni Applicative di Moduli di Potenza con MOSFET al Carburo di Silicio”;
• "Simulazioni, Modellizzazioni e Caratterizzazioni Applicative di Moduli di Potenza con MOSFET al Carburo di Silicio - Moduli di Potenza con Carburo di Silicio per Inverter”;
• "Simulazioni, Modellizzazioni e Caratterizzazioni Applicative di Moduli di Potenza con MOSFET al Carburo di Silicio" - Modellazioni circuitali del SiC MOSFET e relativo diodo”;
• "Progettazione integrata CAD/CAE finalizzata all’ottimizzazione multifisica di dispositivi elettronici di potenza";
• "Modellazione integrata CAD/CAE rivolta all’ottimizzazione meccanica e termica dei dispositivi elettronici di potenza in ottica affidabilistica";
• "Design ed implementazione di sistemi per il modeling avanzato di dispositivi di potenza, sotto forma di “discreti” e power-modules, al fine di effettuare una caratterizzazione multi-fisica completa in ottica affidabilistica";
• "Simulazioni, modellazioni e caratterizzazioni applicative di moduli di potenza con MOSFET al carburo di silicio - modellazioni circuitali del SiC MOSFET e relativo diodo";
• “Simulazioni, Modellizzazioni e Caratterizzazioni Applicative di Moduli di Potenza con MOSFET al Carburo di Silicio – Moduli di Potenza con Carburo di Silicio per Inverter”;
• “Simulazioni, Modellizzazioni e Caratterizzazioni Applicative di Moduli di Potenza con MOSFET al Carburo di Silicio.”;
• "Caratterizzazione avanzata di materiali dielettrici utilizzati come passivanti in dispositivi MOSFET in carburo di silicio e da integrare in moduli di potenza". I risultati attesi riguardano le analisi composizionali e morfologiche di alcuni strati superficiali di materiale di passivazione".

«Oltre ai progetti di ricerca è da mettere in evidenza l'avvio di un master di secondo livello su “Power Electronics Devices and Technologies”», ribadisce il Prof. Baglio. «Il Master è iniziato a dicembre con 10 studenti, di cui 3 stranieri. Il master ha suscitato l’interesse della EU DG Communications Networks, Content & Technology, mancano 63mila ingegneri in Europa per i prossimi anni. Il master è stato considerato una good practice e un’ottima collaborazione JRC».

Le competenze di domani

Come avviene in ogni ambito tecnologico, anche nell’elettronica di potenza le competenze sono in continua evoluzione. «I professionisti di domani che opereranno nell’ambito dell’elettronica di potenza dovranno sicuramente dimostrare conoscenze fortemente interdisciplinari nei seguenti ambiti: elettronica, meccanica, informatica e scienza dei materiali», rimarca il Prof. Baglio. «Tra le competenze che si ritiene essenziali:

• Perfetta comprensione dei fenomeni elettrici ed elettromagnetici.
• Conoscenza degli standard dei sistemi elettrici (reti, smart grid, charger anche wireless, caricabatterie bi-direzionali per i sistemi di accumulo stazionari e anche su veicoli (V2G)).
• Sistemi di controllo digitali avanzati, ad esempio AI-based.
• Convertitori multi-livello e con funzioni fault-tolerant (ridondanza e riconfigurabilità), immunità ai disturbi.
• Conoscenza dei problemi legati ai componenti passivi, allo smaltimento del calore e alla compatibilità elettromagnetica.
• Interdisciplinarità.