Если правильно помню, когда-то была подобная проблема с fastcgi у меня.
Но во время дебага, нашел ошибку и увеличи размер буферов.
Думаю в вашем случае стоит попробывать проработать параметры, так как я сейчас не смогу сказать какой именно мне помог:
proxy_buffer_size
proxy_buffering
proxy_buffers
proxy_busy_buffers_size
Не забудьте сообщить о результате.
Удачи.