ULIS: il modulo di potenza ultracompatto che potrebbe trasformare l’uso globale dell’energia

Il modulo di potenza ULIS sviluppato dal National Renewable Energy Laboratory ridefinisce l’efficienza energetica: più compatto, economico e affidabile, consente di ottimizzare l’uso dell’energia per data center, aviazione, reti elettriche e veicoli avanzati.

Efficienza energetica per una nuova era tecnologica

L’aumento della domanda globale di elettricità sta mettendo sotto pressione le infrastrutture energetiche esistenti. L’espansione dell’intelligenza artificiale, la crescita della produzione industriale avanzata e la diffusione dei trasporti elettrificati stanno accelerando il consumo energetico in modo significativo. Secondo il National Renewable Energy Laboratory (NREL), non basterà produrre più energia: occorre impiegare in modo più efficiente quella già disponibile.

Per rispondere a questa sfida, i ricercatori del NREL hanno sviluppato ULIS – Ultra-Low Inductance Smart power module, un innovativo modulo di potenza basato sul carburo di silicio, capace di concentrare maggiore potenza in un volume più ridotto, a costi inferiori e con minori dispersioni.

Cos’è un modulo di potenza e cosa rende ULIS diverso

I moduli di potenza sono dispositivi elettronici che regolano e convertono l’energia elettrica tra i vari sistemi. ULIS rappresenta una nuova generazione di questi componenti, offrendo una densità energetica cinque volte superiore rispetto ai modelli precedenti grazie all’impiego di semiconduttori in carburo di silicio (SiC). Questo materiale consente di ottenere alte prestazioni in un ingombro ridotto, favorendo lo sviluppo di apparecchiature più leggere, compatte e sostenibili.

Il modulo, con specifiche di 1200 volt e 400 ampere, è stato progettato per applicazioni ad alta intensità energetica come data center, reti elettriche, microreattori, aerei di nuova generazione e veicoli militari.

Induttanza parassita: perché conta davvero

Uno degli elementi distintivi di ULIS è la bassissima induttanza parassita. Questo parametro misura la resistenza opposta alle variazioni di corrente elettrica e può compromettere l’efficienza delle conversioni di potenza. ULIS riduce tale resistenza da sette a nove volte rispetto ai moduli in carburo di silicio più avanzati oggi in commercio.

Ciò si traduce in una maggiore quantità di energia elettrica convertita in potenza realmente utilizzabile. ULIS ottimizza l’estrazione energetica da fonti esistenti, migliorando la sostenibilità dei sistemi elettrici globali.

Robustezza e affidabilità in ambienti estremi

ULIS non è stato progettato solo per essere efficiente, ma anche per offrire affidabilità in condizioni operative difficili. Il modulo è in grado di monitorare costantemente il proprio stato e anticipare eventuali guasti, una funzionalità essenziale in settori ad alto rischio come l’aviazione o le operazioni militari.

In ambienti ostili o ad alta quota, dove la perdita di un componente critico può compromettere l’intera missione, la capacità predittiva di ULIS rappresenta un vantaggio strategico.

Design piatto e ottimizzato per la produzione

Gran parte delle prestazioni di ULIS deriva da una rivoluzione nella progettazione fisica del modulo. A differenza dei moduli tradizionali che impilano i dispositivi in configurazioni a scatola, ULIS impiega una struttura ottagonale piatta, che consente di ottimizzare la disposizione interna dei componenti.

Questa geometria riduce l’ingombro e migliora la dissipazione delle correnti, limitando le interferenze magnetiche. Il layout, ispirato a un’architettura di cancellazione del flusso, è stato sviluppato per evitare colli di bottiglia nell’accensione e spegnimento ultra-rapido del dispositivo.

Dopo aver scartato design tridimensionali troppo complessi da produrre, i ricercatori hanno trovato una soluzione più semplice e conveniente, ispirandosi alla forma di un “pancake”. Il risultato: un modulo ad alte prestazioni ma anche facile da realizzare in ambienti produttivi standard.

Materiali flessibili e controllo wireless

ULIS rompe anche con i materiali convenzionali. Invece della classica combinazione rame-ceramica, il modulo utilizza un polimero flessibile chiamato Temprion, accoppiato al rame mediante calore e pressione. Questo approccio permette di ottenere una struttura più sottile, leggera e versatile, con significative riduzioni nei costi di produzione.

Un’altra innovazione fondamentale riguarda la capacità di operare senza collegamenti fisici. ULIS è progettato per essere controllato e monitorato in modalità wireless, diventando un modulo autonomo che può essere facilmente integrato in sistemi complessi. È in fase di deposito il brevetto per il protocollo di comunicazione wireless a bassa latenza che ne consente il funzionamento.

Compatibile con i semiconduttori del futuro

Anche se oggi ULIS utilizza il carburo di silicio, la sua struttura è stata concepita per essere compatibile con materiali emergenti come nitruro di gallio (GaN) e ossido di gallio (Ga₂O₃). Questa flessibilità rende il modulo pronto per l’evoluzione dei dispositivi elettronici di potenza nei prossimi decenni.

L’obiettivo è chiaro: offrire una piattaforma capace di adattarsi ai futuri standard tecnologici, mantenendo elevati livelli di efficienza e affidabilità.

Applicazioni chiave di ULIS nei sistemi energetici avanzati

L’effetto trasformativo di ULIS potrebbe estendersi a numerosi settori strategici:

Reti elettriche

Negli impianti di distribuzione, l’energia elettrica deve essere convertita in forme utilizzabili. I dispositivi attuali, spesso lenti e inefficienti, comportano grandi perdite. ULIS migliora l’efficienza di conversione e resiste a temperature elevate, riducendo i costi di manutenzione nel lungo periodo.

Aviazione ed eVTOL

Nel settore aeronautico, ULIS consente la progettazione di convertitori più leggeri e potenti, cruciali per il funzionamento degli aerei elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL). Il miglior rapporto peso-potenza ne favorisce l’impiego in veicoli ad alte prestazioni.

Energia da fusione

Nei futuri impianti a fusione nucleare, sarà necessaria l’integrazione di moduli compatti e affidabili per la gestione di impulsi elettrici ad alta potenza. ULIS, con la sua bassa induttanza e robustezza, è adatto a questo tipo di ambienti critici.

Un componente chiave per i sistemi energetici del XXI secolo

ULIS si presenta come un componente essenziale nella transizione verso infrastrutture energetiche più intelligenti, resilienti e sostenibili. Il suo design modulare e wireless, unito a materiali flessibili e a un’efficienza superiore, lo rendono adatto a una vasta gamma di applicazioni, dalle reti elettriche ai veicoli autonomi, dai data center ai reattori compatti.

Il modulo è attualmente disponibile per la concessione in licenza, aprendo la strada a una sua adozione commerciale su larga scala. In un panorama globale sempre più esigente dal punto di vista energetico, ULIS rappresenta una tecnologia abilitante capace di anticipare le necessità delle reti elettriche e dei dispositivi del futuro.