本文从现有的半导体制冷理论出发，建立稳态工况下的传热数学模型，并运用Matlab软件进行数值求解，输出结果主要是针对不同工况下的最大制冷效率、最大火用效率、制冷量和输入功率，并根据给定的温差及制冷量进行半导体三级制冷器的性能配置设计，分析影响半导体多级制冷的制冷系数、火用效率等制冷性能的内部结构因素，寻找提高半导体多级制冷器工作性能的途径。 主要研究内容： 1)建立稳态工况下的一维传热数学模型，主要研究半导体n型元件和p型元件内部结构参数（如电偶臂长度、截面积、材料物性参数等因素）以及外部条件（如工作电流和给定温差）对制冷性能的影响。结果表明n型元件和p型元件内部温度场的分布是相似的，在电偶臂长度和输入电流较小的情况下，其内部温度场都近似呈线性分布。 2)采用最大火用效率分析的设计方案，推导了出各种设计方案的设计公式。建立了半导体单级到四级制冷器的数学模型，并进行数值计算。通过对各种设计方法的理论分析，指出了采用最大火用效率设计的独特之处及得出了半导体多级制冷器设计的一些重要结论。 3)分析了半导体多级制冷器的结构对制冷性能的影响，以半导体两级串联制冷为例，分别对制冷系数ε、火用效率ηex和制冷率R进行优化分析，得到各级面长比和级间电偶对数比的合理取值范围。 4)根据给定温差及制冷量进行多级半导体制冷器的性能配置设计（以半导体三级制冷器的设计为例）。建立半导体三级串联、并联和混联制冷模型，运用Matlab软件对模型进行设计计算，输出结果主要是针对不同工况下的各级的电偶对数、各级的面长比、最大制冷效率、最大火用效率及输入功率，研究了半导体制冷器的结构对制冷性能的影响，为今后半导体多级制冷器的设计和开发提供了理论基础。