在多級熱電堆中，電路可以布置成級間串聯、并聯或串并聯.以滿足電路設計上的要求。圖8-19為多級熱電堆中幾種常用的電路布置，其中(a)為最常見的二級堆串聯電路，(b、c)為二級堆并聯電路，(d、e)為串并聯混合電路。在這些電路中電偶臂的截面積往往是不相等的。它由級與級之間的制冷量分配所決定。圖中(e)是一種較為合理的特殊結構，它的一級的兩個臂作為二級的連接片，可以減少級間的熱阻，提高制冷效果，而它一級的連接片可做成點狀或針狀冷端，作為外科醫療器械或電子儀器的微型制冷器。
應該指出，熱電堆中級的劃分是根據它的熱系統，而不是指它的電路布代的區別。圖8-20是一個二級熱電堆的熱系統圖和結構圖。從熱系統圖中可以看到，第二級冷端從外界吸收熱量Qo，起制冷作用；第二級的熱端放出的熱量為Q'，這個熱量被第一級的冷端全部吸收；第一級熱端放出的熱量為Q，需要由散熱器傳給傳熱介質帶走。由于電路中焦耳熱的產生，使Q>Q'> Qo，因此多級熱電堆中前一級的產冷量應大于后一級，從第一級至最后一級成寶塔形分布。這樣，各級制冷電偶數的分布也成寶塔形。最后一級甚少，而第一級卻是相當大的數目，這是多級熱電制冷器的結構特點。
從圖8-20（b）中可以看到，這是一個由4個電偶(即4對元件)組成的二級熱電堆，電路為串聯。第一級和第二級之間的熱傳遞，邊上兩對元件通過連接塊傳遞，中間兩對通過連接片和導熱絕緣層組成的系統傳遞；導熱絕緣層2的作用除導熱外，把電路分開，使它成為一個串聯電路。它只是一個結構原理圖，或者說是一個不太經濟的實際結構圖.因為兩級的元件數和截面積都相同。第二級只在較小的產冷量下工作，沒有充分發揮制冷效果。合理的結構應是第一級的電偶數多于第二級，或在兩級電偶數相同時，第一級電偶臂的截面積最大。
熱電堆實際是一種大電流、低電壓的器件，目前大多數熱電堆的工作電流為4至60A，而每個電偶的平均電壓約為0.1V。顯然，為得到實用的電壓降，一個熱電堆必須用若干個電偶串聯在一起，因此標準的熱電堆常采用能排成正方形或長方形的電偶數，其數目為幾十甚至上百個不等。如圖8-21為一個由8個電偶組成的熱電堆，它的上、下連接片經適當組合后構成了一個正方形，與半導體制冷元件焊接后可構成一個串聯電路。
