Thermal behavior characterization for MOSFETs and BJTs in hazardous locations

Abstract

This paper shows a numerical polynomial approach to the topic of how bipolar junction transistors (BJT) and field effect transistors (FET) can be safe or unsafe when operating in explosive atmospheres. The most used transistors have been analyzed thermographically, working in a controlled environment, to characterize their thermal behavior. The target is to prevent the transistor from creating conditions that achieve the minimum activation energy for combustible vapors, dusts, or fibers/flyings. We have brought the transistors to their nominal values, specified by working currents and voltages, and confirmed that the effect of heat dissipation in a BJT is non-linear and much greater than in a MOSFET. We have experimentally found a thermal difference of more than 200ºC of overheating of a common BJT compared to a MOSFET with similar load in fixed polarization. We found temperatures above 300ºC in BJTs operating within their nominal ranges and conditions, when the accepted “safe” temperature is not supposed to exceed 200ºC in any case. Through a performance-based analysis focused on temperature, our research suggests that equipment with BJT technologies should not be implemented in certain areas of classified locations or explosive zones; so MOSFET technologies are preferable

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

“…Como fue mencionado anteriormente, el estudio que se presenta en este trabajo se basa en el modelo matemático propuesto en [4]. En dicho trabajo, se utiliza una aproximación polinomial numérica para estudiar los transistores de unión bipolar (BJT) y los transistores de efecto de campo (FET) en atmósferas explosivas.…”

“…En el trabajo presentado en [3] se indica que los efectos del sobrecalentamiento dispositivos electrónicos a escala macro, cuando se exponen a altas temperaturas más allá de su capacidad umbral, tienden a estallar y a arder, provocando incendios. La manera más factible de ejercer control sobre la energía mínima de activación de un combustible es evitando que llegue a su temperatura de ignición que se categorizaría en rangos [4].…”

“…Los autores de [11] proponen un modelo matemático para representar con precisión una fuente de calor generado eléctricamente y conducido térmicamente a través de un elemento. En [4], se utiliza una aproximación polinomial numérica para estudiar los transistores de unión bipolar (BJT) y los transistores de efecto de campo (FET) con el objetivo de determinar si estos son seguros o inseguros cuando trabajan en atmósferas explosivas. En este estudio se recolectaron mediciones experimentalmente para cinco transistores (dos BJT npn, un BJT pnp, un MOSFET n y un MOSFET p).…”

“…Con base en los trabajos mencionados, podemos pensar que el campo de ingeniería se enfoca principalmente en reducir problemas indeseados mediante el uso de técnicas de optimización para el diseño de transistores en lugar de controlar adecuadamente parámetros de operación como voltaje, corriente, tiempo de uso, entre otros. Por ello, este trabajo propone una continuación al estudio presentado en [4], donde se aplican herramientas de optimización al modelo matemático con el objetivo de encontrar un balance óptimo entre la temperatura y la corriente para alcanzar un punto de operación seguro en los transistores en escenarios de riesgo. Específicamente, se aplica optimización convexa no lineal a la caracterización del comportamiento térmico de BJTs y MOSFETs en ubicaciones peligrosas presentada en [4], utilizando una variable de decisión que representa la corriente en el transistor y una constante de control que representa el límite de temperatura de la superficie de los elementos eléctricos para evitar una autoignición de gases, polvos o fibras combustibles [13] u otros productos altamente inflamables almacenados en recintos catalogados como peligrosos por la NFPA, IEC y ATEX.…”

“…Por ello, este trabajo propone una continuación al estudio presentado en [4], donde se aplican herramientas de optimización al modelo matemático con el objetivo de encontrar un balance óptimo entre la temperatura y la corriente para alcanzar un punto de operación seguro en los transistores en escenarios de riesgo. Específicamente, se aplica optimización convexa no lineal a la caracterización del comportamiento térmico de BJTs y MOSFETs en ubicaciones peligrosas presentada en [4], utilizando una variable de decisión que representa la corriente en el transistor y una constante de control que representa el límite de temperatura de la superficie de los elementos eléctricos para evitar una autoignición de gases, polvos o fibras combustibles [13] u otros productos altamente inflamables almacenados en recintos catalogados como peligrosos por la NFPA, IEC y ATEX. Con este modelo matemático basado en optimización se busca controlar la corriente de los transistores para minimizar la temperatura superficial en estos dispositivos, y así garantizar un punto de operación adecuado para el funcionamiento de las maquinarias y evitar accidentes a causa de explosiones.…”