La topología de tu circuito parece básicamente correcta.
Sin embargo, mi primera suposición es que L1 no es realmente un inductor de 10 mH. Si fuera de 10 µH, eso podría explicar las cosas. Estás conmutando a 31,5 kHz, que tiene un período de 31,8 µs. Muestras una onda cuadrada, por lo que los tiempos de encendido y apagado son la mitad, o 16 µs. Incluso con la corriente del inductor comenzando en 0, al final de un pulso obtendrías (8,8 V)(16 µs)/(10 µH) = 14 A. No has proporcionado ninguna hoja de datos, pero es bastante probable que sobrepase la saturación de L1, y posiblemente la capacidad de corriente de M1 y la alimentación.
Otra posibilidad es que M1 no se encienda del todo. Una vez más, ya que no proporcionó ninguna hoja de datos, no puedo comentar más. Comprueba para qué voltaje de puerta está especificado M1, luego compáralo con el voltaje al que lo estés manejando. Si el PWM es sólo una señal digital de 5 V o 3,3 V, entonces es muy probable que M1 no se encienda completamente cuando la señal es alta.
La siguiente posibilidad es que la puerta no reciba suficiente corriente al conmutar. Esto se puede determinar fácilmente observando la señal de la puerta. ¿Es una onda cuadrada agradable y nítida, o se toma su tiempo para pasar de un estado a otro? Si es esto último, entonces el FET pasa demasiado tiempo entre el encendido y el apagado total. Una posible solución es utilizar un chip controlador de FET.
Añadido:
Ahora que se ha facilitado la hoja de datos del FET (aunque sólo en comentarios), podemos ver que este FET es claramente inadecuado para este accionamiento de puerta. La baja Rdson se aplica a 10 V de accionamiento de puerta. El voltaje umbral de la puerta puede ser tan alto como 4 V, y no hay garantía de lo que hace con sólo 5 V en la puerta.
Como sólo quieres una salida de 15 V, un FET de bajo voltaje especificado para 5 V sería una buena elección. Por ejemplo, echa un vistazo al IRFML8244. Puede ser accionado directamente desde una salida lógica digital en muchos casos.
Sin embargo, la sustitución del FET sólo soluciona uno de los posibles problemas. A una frecuencia de conmutación tan lenta, hay que tener cuidado con la saturación del inductor. También tienes que hacer algo para evitar que la salida suba demasiado. Esto podría ser tan simple como un divisor de tensión de la salida de alimentación de un comparador de entrada del micro, que está configurado para matar a la salida PWM cuando por encima de algún umbral.
