Herramienta basada en optimización para reducir la temperatura superficial en circuitos electrónicos con transistores BJTs y MOSFETs en escenarios peligrosos

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.El uso inadecuado de equipos electrónicos en áreas con alto riesgo de explosión es una de las principales causas de muertes y daños materiales en la industria. El objetivo de este trabajo es establecer un punto de operación óptimo que mejore el desempeño de circuitos electrónicos utilizando transistores de tecnología BJT o MOSFET que alimentan una carga en escenarios peligrosos. Para ello se aplica optimización convexa no lineal a la caracterización del comportamiento térmico de MOSFETs y BJTs en aplicaciones con alto riesgo de explosión. En este problema se utiliza como variable de decisión la corriente en el transistor y la temperatura límite en la superficie de los elementos eléctricos que genera la autoignición de gases, polvos, fibras combustibles u otros productos altamente inflamables almacenados en recintos clasificados como peligrosos. Esta variable de control permite trabajar en diferentes categorías de temperatura, considerando la clasificación de los niveles de riesgo térmico estandarizados por la industria de seguridad contra incendios. Además, se consideraron transistores que mantienen como restricción máxima la corriente nominal dada por el fabricante. Con esto es posible obtener un punto de trabajo adecuado que permita determinar los valores óptimos de las ecuaciones de comportamiento térmico para modelos específicos de MOSFETs y BJTs comúnmente utilizados en aplicaciones industriales. En el análisis matemático se utiliza el método Karush Kuhn Tucker (KKT) para resolver el problema propuesto y obtener las soluciones óptimas para los diferentes escenarios considerados. Con base en estas soluciones matemáticas, se propone un algoritmo para resolver el problema general de minimizar la temperatura superficial en transistores de manera rápida y eficiente mediante el control de la corriente en los transistores. Con este análisis de optimización es posible determinar un punto de operación térmica segura para el dispositivo que se encuentra operando en una instalación clasificada como peligrosa y al mismo tiempo manteniendo los niveles de tensión y corriente requeridos para la carga o señal que se necesita alimentar. o amplificado respectivamente