在多级热电堆中，电路可以布置成级间串联、并联或串并联.以满足电路设计上的要求。图8-19为多级热电堆中几种常用的电路布置，其中(a)为最常见的二级堆串联电路，(b、c)为二级堆并联电路，(d、e)为串并联混合电路。在这些电路中电偶臂的截面积往往是不相等的。它由级与级之间的制冷量分配所决定。图中(e)是一种较为合理的特殊结构，它的一级的两个臂作为二级的连接片，可以减少级间的热阻，提高制冷效果，而它一级的连接片可做成点状或针状冷端，作为外科医疗器械或电子仪器的微型制冷器。
应该指出，热电堆中级的划分是根据它的热系统，而不是指它的电路布代的区别。图8-20是一个二级热电堆的热系统图和结构图。从热系统图中可以看到，第二级冷端从外界吸收热量Qo，起制冷作用；第二级的热端放出的热量为Q'，这个热量被第一级的冷端全部吸收；第一级热端放出的热量为Q，需要由散热器传给传热介质带走。由于电路中焦耳热的产生，使Q>Q'> Qo，因此多级热电堆中前一级的产冷量应大于后一级，从第一级至最后一级成宝塔形分布。这样，各级制冷电偶数的分布也成宝塔形。最后一级甚少，而第一级却是相当大的数目，这是多级热电制冷器的结构特点。
从图8-20（b）中可以看到，这是一个由4个电偶(即4对元件)组成的二级热电堆，电路为串联。第一级和第二级之间的热传递，边上两对元件通过连接块传递，中间两对通过连接片和导热绝缘层组成的系统传递；导热绝缘层2的作用除导热外，把电路分开，使它成为一个串联电路。它只是一个结构原理图，或者说是一个不太经济的实际结构图.因为两级的元件数和截面积都相同。第二级只在较小的产冷量下工作，没有充分发挥制冷效果。合理的结构应是第一级的电偶数多于第二级，或在两级电偶数相同时，第一级电偶臂的截面积最大。
热电堆实际是一种大电流、低电压的器件，目前大多数热电堆的工作电流为4至60A，而每个电偶的平均电压约为0.1V。显然，为得到实用的电压降，一个热电堆必须用若干个电偶串联在一起，因此标准的热电堆常采用能排成正方形或长方形的电偶数，其数目为几十甚至上百个不等。如图8-21为一个由8个电偶组成的热电堆，它的上、下连接片经适当组合后构成了一个正方形，与半导体制冷元件焊接后可构成一个串联电路。
