> FocusUnimore > numero 18 – settembre 2021
Dal dispositivo a semiconduttore al prototipo, dalla simulazione alla realizzazione di circuiti: sono questi i principali obiettivi di alcuni gruppi di ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Enzo Ferrari e del Dipartimento di Scienze e Metodi dell’Ingegneria di Unimore impegnati in sei progetti di ricerca per lo sviluppo di tecnologie innovative basate su semiconduttori wide bandgap (a banda larga) come nitruro di gallio (GaN) e carburo di silicio (SiC) e delle relative applicazioni.
I dispositivi basati su questa tipologia di semiconduttori hanno le potenzialità per rivoluzionare l’elettronica di potenza, un campo che sta vivendo un momento di grande interesse scientifico e industriale, grazie alle opportunità offerte nel campo della transizione ecologica. Trasporti green, fattorie di precisione, decarbonizzazione, sono solo alcuni esempi che fanno dell’energia elettrica il vettore energetico più efficiente, sostenibile e competitivo grazie, appunto, all’elettronica di potenza.
Quest’ultima consiste nella conversione statica dell’energia elettrica ad altissima efficienza, una tecnologia che ha reso possibile la conversione di energia raccolta dai pannelli solari e dai generatori eolici e ha aperto la strada alla trazione a impatto ridotto (treni e veicoli elettrici), ha reso possibile le smart grid (reti intelligenti) e la generazione distribuita, ma anche la miniaturizzazione sempre più spinta degli alimentatori che ricaricano i nostri computer e gli smartphone. In sostanza la maggiore efficienza, velocità, affidabilità e potenza che i dispositivi a banda larga sono in grado di offrire pongono le basi per sostituire il classico silicio in tutte queste applicazioni, aumentando le prestazioni e riducendo i costi allo stesso tempo.
Nell’Università di Modena e Reggio Emilia esiste un gruppo di ricercatori con competenze eterogenee ma complementari, che va dallo studio della fisica dei semiconduttori allo studio delle caratteristiche elettriche dei dispositivi, fino alla progettazione, fabbricazione e ingegnerizzazione di convertitori innovativi. Queste competenze hanno permesso a Unimore di partecipare a ben sei progetti – alcuni in corso, altri in fase di avvio – con partner accademici e industriali.
“In Unimore è presente un insieme di competenze, supportate da una lunga serie di pubblicazioni scientifiche su riviste di prestigio – spiega il Prof. Paolo Pavan -, che permette di accedere a progetti competitivi con una visibilità maggiore e con una presenza articolata in più livelli della filiera di progetto. Le tematiche di ricerca che sono affrontate insieme alle aziende hanno orizzonti temporali molto diversi: dagli studi sulle proprietà fondamentali dei materiali semiconduttori, alle nuove topologie circuitali e alle ottimizzazioni delle tecniche di conversione. Il contributo di Unimore alle iniziative legate alla transizione digitale ed ecologica è evidente e contribuirà sicuramente all’affermarsi di queste nuove tecnologie in molti settori chiave del territorio e del paese”.
“È molto importante che Unimore abbia al suo interno gruppi di ricerca distribuiti sui due dipartimenti ingegneristici dell’Ateneo – osserva il Prof. Giovanni Verzellesi, Prorettore Unimore e delegato per la Terza Missione per la sede di Reggio Emilia – strettamente coordinati tra loro e attivi scientificamente nell’ambito dei dispositivi e dei convertitori di potenza basati sui semiconduttori wide bandgap, per il contributo determinante che queste tecnologie forniranno nei prossimi anni alla transizione verso l’elettrico e all’aumento dell’efficienza dei sistemi energetici. È inoltre particolarmente significativo e non comune che le attività di questi gruppi coprano l’intera “filiera” della ricerca in questo ambito, dai semiconduttori fino alla prototipazione dei convertitori di potenza.
Tre dei progetti citati – YESvGaN, TRANSFORM e GaN4AP – rientrano nel programma europeo Horizion 2020 e vengono finanziati tramite il Consorzio europeo ECSEL Joint Undertaking (JU), che promuove la ricerca e lo sviluppo delle tecnologie abilitanti riconosciute come essenziali per il consolidamento del ruolo europeo a livello mondiale.
I partner dei progetti, insieme a Unimore, sono realtà imprenditoriali e organizzazioni di tutta Europa: Bosch coordina YESvGaN e TRANSFORM mentre IUNET, Consorzio nazionale interuniversitario per la nanoelettronica, di cui Unimore è socio fondatore, è il coordinatore scientifico del progetto GaN4AP.
Le numerose aziende italiane coinvolte, sia a livello nazionale (ST Microelectronics, Ferrari, HPE) che locale (Aurel e RawPower, quest’ultima nata come spin-off di Unimore), dimostrano l’importanza della tecnologia e l’interesse del tessuto produttivo italiano.
Il quarto progetto, DORNA, finanziato dal programma europeo H2020 (Marie Skłodowska-Curie Actions – Research and Innovation Staff Exchange), mira a creare sinergie tra il settore accademico e quello industriale a livello europeo, per formare una nuova generazione di ricercatori e professionisti in grado di saper affrontare con successo le sfide dell’elettrificazione nel settore dei trasporti. Il consorzio riunisce 11 Università leader a livello mondiale, tra le quali, oltre a Unimore, Aston University (UK), Nottingham University (UK), Aalborg University (Danimarca), Massachusetts Institute of Technology (USA), Harbin Institute of Technology (Cina), insieme a 5 aziende leader a livello globale. Unimore coordina, con il prof. Davide Barater, le attività relative alle applicazioni dei dispositivi a banda larga.
I restanti due progetti – GANAPP e Green SEED – sono stati finanziati dal bando PRIN 2017 del Ministero dell’Università e della Ricerca, riservato a progetti di rilevante interesse nazionale.
Lo scopo di GANAPP, responsabile di sede il prof. Alessandro Chini del DIEF, è sviluppare tecnologie a nitruro di gallio per i circuiti a onde millimetriche per applicazioni 5G, mentre Green SEED, responsabile di sede il prof. Davide Barater, si prefigge, tramite l’impiego di dispositivi SiC la transizione verso una agricoltura più sostenibile.
L’impatto scientifico di questi progetti in termini di conoscenze e competenze acquisite avrà certamente anche una positiva ricaduta sul piano dell’offerta formativa dei corsi di laurea e di dottorato offerti dal Dipartimento di Ingegneria Enzo Ferrari e dal Dipartimento di Scienze e Metodi dell’Ingegneria, fornendo nuove prospettive di studio e di ricerca per gli studenti attuali e futuri.
In merito al lavoro svolto il Prof. Giovanni Franceschini del DIEF nota: “La possibilità di collaborare nella stessa Università, con ricercatori che hanno permesso di integrare le nostre competenze è stato sicuramente un elemento catalizzatore di grande valore. Lo testimoniano i numerosi progetti competitivi partecipati da Unimore in queste discipline. Sicuramente, dopo tanti anni in cui nel nostro paese ha prevalso l’inerzia, oggi, sulla spinta della transizione ecologica, finalmente ci troviamo nella situazione ideale per dare un ruolo da protagonista all’elettronica di potenza e alla conversione statica dell’energia come avviene già da un po’ di tempo nei paesi del Nord Europa”.
“L’utilizzo dei dispositivi ad ampio band-gap (banda larga) – afferma il Prof. Alessandro Chinidel DIEF – è ormai riconosciuto essere l’unica soluzione per il miglioramento dell’efficienza energetica nei sistemi elettronici di potenza e a radio-frequenza. Dopo circa vent’anni di sviluppo all’interno di laboratori di ricerca, oggi i dispositivi in GaN e SiC hanno raggiunto una maturità tale da poter essere utilizzati anche nelle applicazioni elettroniche di tutti i giorni fornendo significativi vantaggi rispetto all’elettronica tradizionale realizzata in Silicio. A differenza di quest’ultimo però il margine di miglioramento è ancora significativo, e per questo motivo è fondamentale che Unimore partecipi a progetti di ricerca su queste tematiche per poter scrivere il futuro dell’elettronica di potenza”.