Optimization-based tool to reduce the surface temperature in electronic circuits with transistors BJTs and MOSFETs in dangerous scenarios

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Edwin Collado
Jaime Jesús Delgado Sánchez
Nieves Bernal
Dorindo Cárdenas
Yessica Sáez
Sent: May 7, 2023
Published: Jul 18, 2023

Abstract

Improper use of electronic equipment in areas with a high risk of explosion is one of the main causes of deaths and property damages in the industry. The objective of this work is to establish an optimal operating point that improves the performance of electronic circuits using BJT or MOSFET technology transistors that feed a load in dangerous scenarios. For this, non-linear convex optimization is applied to the characterization of the thermal behavior of MOSFETs and BJTs in applications with a high risk of explosion. In this problem, the current in the transistor is used as a decision variable and the limit temperature on the surface of the electrical elements that generates autoignition of gases, dusts, combustible fibers, or other highly flammable products stored in classified enclosures as dangerous. This control variable allows working in different temperature categories, considering the classification of thermal risk levels standardized by the fire safety industry. In addition, transistors that keep the nominal current given by the manufacturer as the maximum restriction were considered. With this, it is possible to obtain an adequate working point that allows determining the optimal values of the thermal behavior equations for specific models of MOSFETs and BJTs commonly used in industrial applications. In the mathematical analysis, the Karush Kuhn Tucker (KKT) method is used to solve the proposed problem and obtain the optimal solutions for the different scenarios considered. Based on these mathematical solutions, an algorithm is proposed to solve the general problem of minimizing the surface temperature quickly and efficiently in transistors by controlling the current in the transistors. With this optimization analysis, it is possible to determine a safe thermal operating point for the device that is operating in an installation classified as hazardous and at the same time maintaining the required levels of voltage and current for the load or signal that needs to be fed or amplified respectively.

Keywords

Karush Kuhn Tucker (KKT), convex optimization, fixed polarization, temperature, BJT transistor, MOSFET transistor

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Article Details

How to Cite
Collado, E., Delgado Sánchez, J., Bernal, N., Cárdenas, D., & Sáez, Y. (2023). Optimization-based tool to reduce the surface temperature in electronic circuits with transistors BJTs and MOSFETs in dangerous scenarios. I+D Tecnológico, 19(2), 64-75. https://doi.org/10.33412/idt.v19.2.3806
Author Biographies

Edwin Collado, Universidad Tecnológica de Panamá

Edwin Collado es doctor en Ingeniería Eléctrica por la Universidad Texas A&M, EE. UU.  El Dr. Collado es investigador y docente en la Universidad Tecnológica de Panamá e investigador asociado en el Centro de Estudios Multidisciplinarios de Ingeniería, Ciencias y Tecnología (CEMCIT AIP). Sus áreas de interés incluyen las redes de telecomunicaciones, el modelado de sistemas y optimización, sistemas de automatización y control, sistemas embebidos, probabilidad y procesos aleatorios. Forma parte de distinguidos grupos de ciencia e ingeniería en Panamá como el Sistema Nacional de Investigadores (SNI) de Panamá, la Asociación Panameña para el Avance de la Ciencia (APANAC) y ComSoc del IEEE - Sección de Panamá. Ha recibido numerosas distinciones por su carrera como investigador, docente e innovador. El Dr. Collado es Coordinador del Grupo de Investigación en Ingeniería de Telecomunicaciones y Sistemas Inteligentes Aplicados a la Sociedad (ITSIAS) de la Universidad Tecnológica de Panamá.

Jaime Jesús Delgado Sánchez, Universidad Tecnológica de Panamá

Jaime Jesús Delgado Sánchez, recibió su título en Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones en la Universidad Tecnológica de Panamá (UTP), Panamá en 2014. En 2017 completó un MBA con especialización en finanzas en la Universidad Interamericana de Panamá, Panamá. En 2021 el Ing.Delgado Sánchez, completó exitosamente la Maestría en Ingeniería con especialidad en Potencia Eléctrica, de la Universidad Tecnológica de Panamá, Panamá. Desde 2018 el Ing. Delgado Sánchez es miembro del  Grupo de Investigación de Energía Radiante y Disipaciones Irreversibles (ERDI) de la Universidad Tecnológica de Panamá, como investigador aplicado en el campo del comportamiento térmico en dispositivos electrónicos y semiconductores (electrónica de potencia), donde ha realizado aportes importantes en la conceptualización del eje principal de los temas de investigación. Ha desarrollado su práctica profesional en Ingeniería Electrónica y de Telecomunicaciones desde 2014 a la actualidad en el campo de la electrónica, computación, redes y diseño de infraestructura de comunicaciones digitales. Actualmente el Ing. Delgado Sánchez labora como Administrador de Sistemas en la Autoridad del Canal de Panamá (ACP), donde labora desde 2017. 

Nieves Bernal, Universidad Tecnológica de Panamá

Nieves Bernal es Ingeniera Electrónica y Telecomunicaciones con un Máster en Ingeniería Eléctrica, de Universidad Tecnológica de Panamá (UTP), Ing. Nieves es docente de la Facultad de Ingeniería Eléctrica en el Centro Regional de Veraguas de la Universidad Tecnológica de Panamá. Sus áreas de interés incluyen las redes de telecomunicaciones, electrónica, nuevas tecnologías en energías renovables e instrumentación sísmica. Forma parte de la Sociedad Profesional Sociedad Panameña de Ingenieros y Arquitectos (SPIA) de Panamá.

Dorindo Cárdenas, Universidad Tecnológica de Panamá

Dorindo Elam Cárdenas recibió su título en Ingeniería Electromecánica en la Universidad Tecnológica de Panamá (UTP), Panamá en 2004. En 2005 se convierte en profesor de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Tecnológica de Panamá. En 2009 se convierte en Especialista Certificado en Protección contra Incendios (CFPS), certificación internacional otorgada por la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA), EE. UU. En 2011 recibe su Doctorado en Ciencias de la Ingeniería (Sc.D. – Ph.D.), con una novedosa investigación en modelización matemática de incendios eléctricos y sus fuentes, que fue nominada al Premio Extraordinario de Doctorado en la Universitat Politècnica de Catalunya – Barcelonatech, España. En 2014 completó una beca postdoctoral e investigación con la Universidad de Texas en Austin, EE. UU. en transporte de radiación y efectos de frecuencia variable de ondas electromagnéticas en conductores. Ha desarrollado su práctica profesional en Ingeniería Eléctrica y Mecánica desde 2004 hasta la actualidad en aplicaciones industriales. Algunos de sus trabajos incluyen diseño, instalación y consultoría para proyectos comerciales e industriales muy grandes, como centros comerciales, edificios de gran altura, plantas generadoras de energía, subestaciones eléctricas y lugares industriales peligrosos. El Dr. Cárdenas también ha realizado varios modelos matemáticos para diversas aplicaciones en radiación, energía, química y otras materias físicas fundamentales y matemáticas aplicadas. El Dr. Cárdenas es miembro senior de IEEE, NFPA, IAAI, CFPS, CEMCIT-AIP y SNI-SENACYT. Es Director Principal del Grupo de Investigación ERDI e Investigador Líder de la Universidad Tecnológica de Panamá.

Yessica Sáez, Universidad Tecnológica de Panamá

Yessica Sáez es doctora en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de Texas A&M, EE. UU.  Actualmente es profesora e investigadora en la Universidad Tecnológica de Panamá e investigadora asociada en el Centro de Estudios Multidisciplinarios de Ingeniería, Ciencias y Tecnología (CEMCIT AIP). La Dra.  Sáez se especializa en sistemas embebidos, electrónica digital, procesamiento de señales y las Smart Grids. Colabora en varios proyectos de investigación apoyados por SENACYT-Panamá. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) de Panamá, de la Asociación Panameña para el Avance de la Ciencia (APANAC) de Panamá y la Vicepresidente de ComSoc y WIE del IEEE - Sección de Panamá. La Dr. Sáez es Coordinadora del Grupo de Investigación en Ingeniería de Telecomunicaciones y Sistemas Inteligentes Aplicados a la Sociedad (ITSIAS) de la Universidad Tecnológica de Panamá.